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Redes de Comunicação

Industrial

Documento técnico nº

Edição de Setembro de 2007

A biblioteca técnica da Schneider Electric é muito vasta tendo um elevado número

de publicações sobre os mais variados temas :

• Automatismos Industriais, Supervisão e Comunicação
• Distribuição Eléctrica

O Centro de Formação em Portugal optou desde há muito por traduzir e adaptar algumas destas publicações de modo a enriquecer as suas acções de formação com informação mais técnica.

Esta publicação pretende complementar as acções de formação nas áreas da automação industrial/comunicação.

Nota: Declinamos toda a responsabilidade derivada da utilização das informações e esquemas reproduzidos na presente publicação bem como por eventuais erros ou omissões, contidos na presente publicação.

Esta publicação corresponde à compilação e adaptação de diversos documentos relativos a redes de comunicação Industrial da Schneider Electric.

Fátima Borges (Engª) Centro de Formação da Schneider Electric Portugal Email : fatima.borges@pt.schneider-electric.com

Redes de comunicação

De todas as tecnologias associadas ao controlo industrial, as redes de comunicação é a que sofreu maiores evoluções na última década, seguindo aliás a tendência global de evolução das comunicações que se tem vindo a sentir, praticamente em todos os ramos de actividade, desde as telecomunicações móveis, à Internet, à comunicação sem fios (wireless), etc. A utilização das redes permite a comunicação rápida e fiável entre equipamentos e o uso de mecanismos padronizados, que são hoje em dia, factores indispensáveis no conceito de produtividade industrial.

Tecnologias de Bus de Campo

O aumento do grau de automatização das máquinas e sistemas aumentou a quantidade de cabos a utilizar nas ligações paralelas. Devido ao aumento do número de Entradas/Saídas as especificações dos cabos são muitas vezes elevadas, por exemplo para a transmissão de valores analógicos. Assim, a ligação em série dos componentes utilizando um bus de campo é cada vez mais utilizada, devido ao menor custo de material e mão de obra, redução significativa da quantidade de cabos, maiores velocidades nos tempos de comando e respostas dos sistemas, entre outros benefícios. Um bus de campo aberto, permite a interligação de vários PLC’s, mesmo de fornecedores distintos, e também de outros componentes de campo. Todos ligados ao mesmo bus, permitem a comunicação dos dados, com maior fiabilidade e disponibilidade do sistema, minimizando os tempos de paragem e de manutenção. Os sistemas de bus de campo abertos, normalizam a transmissão dos dados e a ligação de equipamentos de diversos fabricantes. O utilizador fica assim livre de escolher o fabricante, e com a flexibilidade de expandir ou modificar facilmente o sistema.

1 AS-Interface

Breve descrição

Com o seu característico cabo amarelo, o AS-Interface®^ é uma das mais inovadoras soluções de rede ao nível de sensores/actuadores. Foi desenvolvido como uma alternativa de baixo custo de estrutura de cablagem e provou ser extremamente fiável, após vários anos de utilização em diversos sectores industriais. O objectivo é ligar entre si, sensores e actuadores de diversos fabricantes, utilizando um cabo único, capaz de transmitir dados e alimentação simultaneamente.

Histórico AS-International, a organização que apoia o AS-Interface, formou-se em 1991 através de um consórcio de 11 empresas europeias que desenvolveram a norma. Hoje, 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. No mercado norte-americano, a AS-i Trade Organization (ATO) existe desde 1996. Através da ATO, os seus membros podem submeter produtos AS-Interface para testes de conformidade e certificação. Em 1990 criou-se a associação ASI Verein (Alemanha) sendo a Schneider um dos membros desta associação. Em 1997 inicia-se o desenvolvimento do A^2 S-Interface, que permite o dobro dos escravos, estando disponível o “chip” desde 1998.

Aplicações típicas O AS-Interface é uma solução de cablagem para utilização em sistemas de automação ao nível do campo, substituindo a cablagem paralela tradicional, em meios industriais. A tecnologia AS-Interface é compatível com qualquer outro bus de campo ou rede. Existem gateways para ligação a CANopen, Profibus, Interbus, FIP, LON, RS485 e RS232. O AS-Interface está de acordo com as normas europeias EN50295, IEC 62026-2.

Modelo de comunicação O sistema AS-Interface utiliza o princípio de um cabo comum, onde podem ligar todos os elementos periféricos. O elemento básico do AS-Interface é um “chip” escravo, através do qual os sensores e actuadores se ligam ao cabo AS-Interface. Em cada ciclo, 4 bits de informação são transferidos em série do mestre para todos os escravos. Outros 4 bits são devolvidos dos escravos para o mestre com entradas ou saídas. O “chip” e outros componentes associados podem estar num módulo de interface onde sensores ou actuadores tradicionais podem ser ligados ou estarem integrados nos próprios sensores ou actuadores. Assim o utilizador pode usar tanto equipamento já existente como equipamento específico AS-Interface.

Comunicação mestre/escravo 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 controlo de transmissão. Assim, o mestre consegue interrogar os 31 escravos e actualizar as E/S em menos de 5ms.

Resumo Topologia : Estrutura em árvore. Meio: Cabo de 2 condutores para dados e alimentação (24VDC nominal, 2 A tipicamente) Comprimento do bus : 100m por cada mestre AS-Interface (300m com repetidores) Numero de escravos: máximo de 31 Número de E/S : Até 4 sensores e 4 actuadores por escravo (máximo 248 E/S digitais) Endereçamento : Cada escravo tem um endereço, definido pelo mestre ou equip. especifico Mensagens: Do mestre para o escravo com resposta imediata. Formato mensagem: 4 bits por escravo e mensagem Tempo de ciclo: Com 31 escravos: 5 ms. Com menos escravos o tempo diminui. Detecção de erros: Mensagens incorrectas detectadas, gerando repetição da mensagem. Módulo Interface : 4 portas configuráveis (entradas, saídas ou bidireccional) e 4 parâmetros

Características especiais Alimentação pelo bus: O cabo de sinal comporta 30Vcc com uma corrente tipicamente de 2 A para os equipamentos. Alimentação adicional pode ser distribuída utilizando um cabo preto. A maioria dos equipamentos estão preparados para esta alimentação adicional.

Imunidade AMI/RFI: Uma questão comum é a falta de blindagem do cabo AS-Interface e as preocupações de imunidade ao ruído. Os dados digitais são codificados num sinal sinusoidal, com uma pequena largura de banda.. Existe uma filtragem que elimina as frequências fora dessa largura de banda. Assim, o AS- Interface pode operar em ambientes com ruído eléctrico, sem haver erros de transmissão.

Determinismo e tempo de escrutínio: O AS-interface é determinístico: pode determinar-se o tempo que leva uma mudança de estado a chegar ao mestre. Para calcular o tempo de escrutínio, basta multiplicar o número de nós (incluindo o mestre) por 150 μs. O atraso máximo da rede é de 4.7ms.

Exemplo de topologia de um bus AS-interface

Fonte de Alimentação

Sensores

sensores

Repetidor

PLC Mestre

O Polling é gerado pelo utilizador.

Mecanismo da difusão (Broadcast) Número do escravo = 0 na trama de envio Não há resposta por parte dos escravos

Formato geral de uma trama Tipo ASCII

Tipo RTU

Informações necessárias ao envio: Endereço bits, palavras Valores bits, palavras Número de bits Número de palavras

Palavra de controlo: CRC 16 (controlo de redundância cíclica) Logo que a mensagem é recebida pelo escravo, este último lê a palavra de controlo aceitando ou recusando (em qualquer caso, este não responde).

START ENDEREÇO FUNÇÃO DADOS LRC END

1 Caractere 2 Caracteres^ 2 Caracteres^ n Caracteres^ 2 Caracteres^ 2 Caracteres

START ENDEREÇO FUNÇÃO DADOS LRC END

Silêncio (^) 2 Bytes 2 Bytes n Bytes 2 Bytes Silêncio

NÚMERO ESCRAVO

CÓDIGO FUNÇÃO (^) INFORMAÇÃO CONTROLO C.R.C.

1 byte 1 byte n bytes 2 bytes

Nº da Função: Descrição:

1 ou 2 Leitura de bits 3 ou 4 Leitura de palavras 5 Escrita de bits 6 Escrita de palavras 7 Leitura rápida de 8 bits 8 Diagnóstico de trocas 11 Leitura contador de eventos 12 Leitura Buffer Trace 15 Escrita múltipla de bits 16 Escrita múltipla de palavras Trama de resposta Informação (n bytes): Valor dos bits ou palavras lidas; Valor dos bits ou palavras escritas; Número de palavras ou número de bits

Características fisicas Exemplo de tempos de refrescamento dos dados 1 palavra lida 100 palavra lidas bit/s T ciclo Duração média Duração média 9600 10ms 86ms 367ms 9600 50 149 405 19200 10 60 216 19200 50 100 251

NUMERO CODIGO (^) INFORMAÇÃO (^) PALAVRA CONTROLO

1 byte 1 byte n bytes 2

Identificação da trama de envio

Características físicas Topologia de rede: bus de terreno ponto a ponto ou por derivação Máximo de equipamentos (Nós): 64 Suporte: Par torsado blindado, RS 485 (opção de anel) ou fibra óptica (opção de redundância) Distância máxima em par torsado (segmento) : 450m Com repetidores: 1800m Velocidade de transmissão: 1 Mbps

4 FIPIO

Breve descrição FIP ou WorldFIP é um conjunto de normas definidas para comunicação em tempo real, necessária à implementação de sistemas de automação.

O WorldFIP oferece dois tipos de serviços de aplicação: Bus FIPIO e rede Fipway.

O bus FIPIO e a rede FIPWAY são completamente normalizados segundo a norma FIP.

O bus FIPIO é um protocolo com origem na Telemecanique.

Bus FIPIO

• Base de dados distribuída (variáveis cíclicas) que é trocada periodicamente entre os equipamentos ligados à rede e não requer programação.

A informação está disponível em todos os “consumidores” ao mesmo tempo, proporcionando dados consistentes e facilitando a sincronização entre equipamentos.

Histórico O bus FIPIO é compatível com os standards FIP e WORLDFIP.

FIP : de acordo com a norma UTE standard : C46 604

FIPIO: profile 2 do WORLDFIP standard.

O nível físico de WORLDFIP é o standard IEC1158-2. WORLDFIP foi seleccionado pelo European standard EN.

Aplicações típicas O FIPIO é utilizado para aplicações de controlo de sensores e actuadores.

Com este bus, parte do sistema de controlo pode estar localizado junto à produção (módulos E/S, variadores de velocidade, sistemas de identificação, terminais de operação e estações de controlo). A gestão do bus é efectuada por um gestor.

Modelo de comunicação

Todos os outros endereços podem ser utilizados pelos equipamentos que possam ser ligados ao bus FIPIO, mas estes devem ser previamente configurados pelo software de programação.

Características físicas

Estrutura

Tipo: WORLDFIP-bus de campo industrial normalizado e aberto.

Topologia: Equipamentos ligados em bus (linear) ou por derivação.

Método de acesso: Controlo por um árbitro de bus.

Comunicação: Por troca de variáveis às quais o utilizador pode aceder sob a forma de objectos no software de programação ou datagramas X-WAY.

Prioridade: Trocas cíclicas de estados de variáveis e trocas de comandos remotos de E/S (variáveis de parametrização) e datagramas X-WAY são também trocados.

Transmissão

Modo: Nivel físico de banda básica em par torsado blindado (norma IEC1158-2).

Velocidade: 1 Mb/s.

Meio: par torsado blindado (impedância de 150 Ohms) ou fibra óptica.

Configuração Nº de ligações: 128 ligações lógicas para toda a arquitectura.

Nº de segmentos: máximo de 32 entre 2 estações. Depende da distância entre eles (ver abaixo)

Gestor: Um autómato no endereço 0.

Terminal de programação no endereço 63.

Comprimento do segmento :

Máximo de 1000 metros por segmento eléctrico.

Maximo de 2500 ou 3000 metros por segmento óptico (dependendo da fibra)

Multi-estação : A transparência da rede é assegurada por FIPWAY ou Ethernet TCP-IP

Máximo comprimento do bus FIPIO O comprimento máximo em km de cabo (eléctrico ou fibra óptica) entre 2 estações o mais afastadas possível (incluindo a estação de árbitro de bus) é 22-(0.5 x R) : onde R é o número de repetidores (eléctricos ou ópticos) cruzados pelos dados FIP entre essas duas estações.

Existem três tipos de perfis: FRDP: FIPIO Reduce Device Profile FSDP: FIPIO Simple Device Profile FEDP: FIPIO Extended Device Profile

A tabela seguinte mostra as funções possíveis de cada perfil:

Dados processo Aquisição imputs Control outputs

Configuração (opcional) Ajuste (opcional)

Velocidade de comando

Diagnósticos / Validação imput Especificações status

Comprimento máximo: 1000 metros sem repetidor para um segmento e 5000 metros entre equipamentos terminais (5 segmentos). Derivações: Estas ligações são feitas através de caixas e cabos de derivação próprios. Ligações: Par torsado blindado de 150 ohm.

B

6 CANopen

Breve descrição É um protocolo muito utilizado na indústria em geral, principalmente pela sua abertura e baixo custo. CAN é um bus de comunicação multi-mestre. Permite uma topologia livre, em bus ou com derivações. Identifica as mensagens e não os equipamentos. Cada equipamento pode enviar mensagens sempre que o bus estiver livre. Este apenas define os níveis 1 e 2 do modelo ISO. A comunicação é por eventos, o que reduz o tráfego na rede. Possíveis conflitos são evitados através de uma definição de níveis de prioridade. Todos os participantes têm os mesmos direitos, por isso é possível configurar uma rede sem mestre. A Schneider considera o CANopen um protocolo nuclear, confirmado pelo crescente número de equipamentos que comunicam ou têm possibilidades de comunicar em CANopen. É um protocolo muito interessante do ponto de vista de funcionalidades e desempenho.

Histórico Origem em 1983, desenvolvido pela Bosch para a indústria automóvel. Introdução oficial do CAN em 1986. Publicação das especificações CAN em 1991. Início da associação CiA (CAN in Automation) em 1992. (http://www.can-cia.de) Protocolo CANopen ( DS-301 communication profile: CANopen ) publicado em 1995 pela CiA. São então definidas quais as ferramentas a utilizar e é assegurada a inter-operacionalidade de equipamentos. Em 2001, apareceu o DS-304 communication profile: CANsafe. Normas aplicáveis: ISO 11898, ISO 16845

Aplicações típicas Sempre que é necessário ligar, com um só cabo, blocos de sensores, sensores inteligentes, válvulas pneumáticas, leitores de códigos de barras, variadores de velocidade, interfaces de diálogo operador, etc. Controlo de movimento, robótica, aparelhos médicos, gruas, transportes, linhas de produção, são algumas das aplicações possíveis. O controlo de máquinas descentralizadas é a área de aplicação em geral.

Modelo de comunicação Máximo de dados por mensagem: 8 bytes Encapsulamento por mensagem: 46 bits Tipo de comunicação entre nós: mestre/escravo, peer-to-peer, broadcast Gestão de rede: mestre/escravo Utilizando o perfil de comunicação CANopen é possível interligar produtos de diferentes fornecedores. Distribuição das mensagens : todos os nós recebem todas as mensagens e decidem através de um filtro quais as mensagens que lhe são dirigidas. Um identificador na mensagem determina a prioridade da mensagem, fazendo com que o tempo de transmissão de mensagens de alta prioridade seja muito pequeno, mesmo em situações de muito tráfego. Arbitragem do bus sem destruição da mensagem : qualquer nó pode transmitir se o bus estiver livre. Sendo assim, é possível que mais do que um transmitam no mesmo instante. Para evitar que se destruam, a comunicação é monitorizada durante o início da transmissão e existe um mecanismo que permite continuar a receber apenas uma das frame s.