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  1. REDES INDUSTRIAIS SEMANA 12 – PROTOCOLOS INDUSTRIAIS E PREDIAIS 11/03/2014 11/03/2014 11/03/2014 11/03/2014 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 1 1 1 1 1

  2. PROTOCOLOS INDUSTRIAIS • LAN em ambientes administrativos: redes corporativas • LAN em ambientes industriais: barramentos de campo ou Fieldbus • Os tipos de redes dependem dos protocolos utilizados. • LAN, MAN, WAN 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 2

  3. Redes Industriais – Barramento de Campo - Fieldbus • Surgiram da necessidade de interligar equipamentos usados nos sistemas de automação. • Compartilha recursos e base de dados que passaram a ser únicas • É usual saber a necessidade da taxa de taxa de transmissão de bits e dispositivos utilizados para depois especificar o protocolo utilizado. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 3

  4. Redes Industriais • Requerem • Modularidade • Confiabilidade • Interoperabilidade: capacidade dos sistemas abertos trocarem informações entre eles, mesmo quando fornecidos por fabricantes diferentes. • Interconectividade: maneira como os computadores de fabricantes diferentes podem se conectar. • Portabilidade: capacidade de um software rodar em plataformas diferentes. • Grande desempenho 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 4

  5. Idealização do Fieldbus • Rede multiponto digital para conectar dispositivos de campo e controle a longa distância por apenas um barramento (dois fios), economizando cabeamento. • Em alguns casos permite fazer o controle no local da aquisição, e atuação dos processos, ou seja, no próprio sensor e atuador, minimizando os problemas de comunicação e falhas de equipamentos. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 5

  6. Histórico do Fieldbus • Fabricantes, na maioria americanos passaram a usar o MODBUS da MODICON como padrão. • Na Europa, o PROFIBUS da SIEMENS é adotado como padrão. • O MODBUS e o PROFIBUS tornam-se abertos por acordos entre os fabricantes europeus. • Na década de 1980 a ISA reuniu uma comissão e criou o SP50 onde o interesse é criar um padrão único mundial. Barrado pelo interesse dos diversos fabricantes. • Em 1992, Fisher-Rosemount, YOKOGAWA e Siemens, 3 dos maiores fabricantes de CLP e com protocolos compatíveis do mercado criam o ISP (Interoperable Systems Project). 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 6

  7. Histórico do Fieldbus • Também em 1992 a Honeywell, Allen-Bradley e outros (facção da SP50) criam o Worldfip com o mesmo objetivo do ISP. • Em 1993 o ISP e o Worldfip foram unificados para criar o Foundation Fieldbus (FF), um padrão que até hoje, apesar das inúmeras aplicações e dos vários fabricantes, está por ser totalmente definido e testado. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 7

  8. Fieldbus – 3 Categorias • Nível mais Baixo: redes de dispositivos simples tais como sensores/atuadores em nível de bit (do tipo E/S). Ex.: AS-i, SERIPLEX, INTERBUS-S, PROFIBUS-PA, HART. • Nível Médio: redes de controladores (comunicação serial entre dispositivos – CLP) de campo. Ex.: CAN, Lonworks, DeviceNET, PROFIBUS-DP. • Alto Nível: redes de controladores (mestres) para controles e instrumentação mais sofisticada (inteligentes). Ex.: SP50-H2, Ethernet Industrial, PROFIBUS-FMS. • Obs.: Existem integração entre protocolos como com PROFIBUS (PA, DP, FMS) e a integração Ethernet com PROFIBUS (Profinet) 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 8

  9. NÍVEIS DE COMUNICAÇÃO NA AUTOMAÇÃO REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

  10. Níveis dos Protocolos Industriais 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 10

  11. Níveis de Redes Industriais 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 11

  12. Tipos de Equipamento em Cada Nível de uma Rede Industrial 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 12

  13. Operação Conjunta: SW Supervisório + Fieldbus + Instrumentos 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 13

  14. Níveis do Protocolo 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 14

  15. Benefícios Econômicos do Fieldbus • Fieldbus permite baixo custo de implantação e manutenção e fácil expansão da rede. • Fácil implementação de um sistema Fieldbus em um sistema de automação já implantado sendo necessário apenas placas de interface e conversores AD/DA. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 15

  16. Vantagens de customização e de obtenção de informações de mais baixo nível, devido: Utilização de sistemas abertos. Instrumentação de ponta no caso de redes novas. Transmissão apenas de forma digital. Redundância na rede. Benefícios de Performance do Fieldbus 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 16

  17. Principais Protocolos Industriais e Prediais Disponíveis no Mercado 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 17

  18. Protocolo HART • HART - Highway Addressable Remote Transducer Protocol • Lançado pela Rosemount em 1980 • Logo depois, em 1993, foi formada a Hart Coomunication Foundation , pois o protocolo foi tornado aberto. • Hoje mais de 2/3 dos instrumentos inteligentes de comunicação de dados usam o protocolo HART. • Usa dois modos de comunicação: comunicação digital e o tradicional 4-20 mA analógicos usados por equipamentos de instrumentação tradicional. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 18

  19. www.hartcomm.org 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 19

  20. Comunicação Analógica + Digital • Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). • Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente à variável de processo representada. • Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 20

  21. Comunicação Digital + Sinal Analógico Simultâneo 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 21

  22. Instrumento Inteligente HART HART SENSOR CHIP HART uP A D 4 ~ 20 mA D A Híbrido (Analógico+ Digital) REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

  23. O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 23

  24. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 24

  25. O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20mA. • Tanto o sinal analógico 4-20mA como o sinal digital de comunicação HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. • A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4- 20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas na mesma fiação e ao mesmo tempo. • Ao contrário das demais tecnologias de comunicação digitais “abertas” para instrumentação de processos, o HART® é compatível com os sistemas existentes. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 25

  26. Protocolo HART • Foi desenvolvido para configuração remota e diagnóstico. Para que eu pudesse via um computador trabalhar no loop e configurar/parametrizar um instrumento. • O protocolo é Mestre-Escravo em 98% das aplicações. O direito de acesso ao meio consiste de um token que passa entre os dispositivos conectando-os ao canal. • A camada de aplicação define os comandos, respostas, os dados digitais e o estado das informações apoiadas pelo protocolo. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 26

  27. Protocolo HART • Topologia ponto-a-ponto: simultâneo analógico e digital e ponto-a-ponto somente digital. • Cadeia Multidrop – somente digital • O SDCD é ligado com 1 par de fios para cada instrumento no ponto a ponto. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 27

  28. Arquitetura convencional ponto a ponto 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 28

  29. Modo Multidrop HART • Os dispositivos trocam seus dados e valores medidos digitalmente, somente via protocolo HART (frequencia). • A corrente serve apenas para alimentar os dispositivos a 2 fios a 4 mA. • Até 15 dispositivos podem ser conectados em paralelo através de um par de fios. • O comprimento do cabo depende de características do produto/cabo individualmente. • O mestre distingue o dispositivo de campo através de seu endereço que varia de 1 a 15. • Válvulas de controle não podem ser utilizadas no modo multidrop pois os sinais de controle para válvulas são transmitidos no padrão 4 a 20 mA. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 29

  30. Modo Multidrop - HART 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 30

  31. Posso perder o HART (frequência) e o meu sistema de controle continua a funcionar (4-20mA) Distância no ponto a ponto – dependendo somente da Lei de Ohm. Saio com 24 V e o meu instrumento funciona com 18 V (queda de até 6 V). Custo do instrumento mais barato que o fieldbus. Dependendo do port do projeto. Posso escolher: pto a pto ou rede. Simples é pto-a-pto (4 a 20 mA) para projeto e manutenção. Com 4 a 20 eu continuo operando e com HART mantenho a configuração/diagnose. Exige pessoal com menor capacitação (multiteste) Velocidade: para monitoração de controle. Custo: infra-estrutura para 1 cabo para cada instrumento. Ex.: 30.000 instrumentos exigem 30.000 pares. No FieldBus seriam 3000 pares. Em geral não é usado com rede. Velocidade baixa e custo alto. Para sair de projetos HART e ir para protocolos Digitais a equipe deve encarar desafios. HART é mais voltado para plantas de processo e pessoas mais conservadoras. Pontos Fortes e Fracos do HART 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 31

  32. MODBUS • A princípio era um protocolo proprietário criado pela MODICON em 1978 visando o uso em seus próprios dispositivos. • Atualmente a MODICON autorizou seu uso por um grande número de fabricantes passando a ser um protocolo aberto. • O MODIBUS é baseado no modelo mestre-escravo. • O mestre e os escravos estão ligados sobre uma rede bidirecional do tipo barramento. • Todos os escravos recebem questões do mestre porém sómente o escravo endereçado responde ao mestre. • É possível haver 1 mestre e 247 escravos (endereços de 1 a 247) 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 32

  33. MODBUS • Em 1990 a Schneider lançou a versão ModBus/TCP que usa a Ethernet. • Organização : http://modbus-ida.org/ • Alimentação de 5 Volts DC • As estações podem ser endereçadas por software ou por chaves • Distância máxima 400 m ( com FO até 3.300 m ) • Em geral liga instrumentos a 4 fios. Muito pouco a 2 fios. Um par para energia e 1 par para comunicação. • Já foi desenvolvido com a idéia de rede. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 33

  34. MODBUS • Usa 1 par de fios de comunicação com terminadores nas extremidades (trabalham com energia) • O ModBus possui o nível físico RS 485 (até 32 estações Mestre e Escravo) mais popular ou RS 422, RS423, RS 442. • Começa em 1200 bps e chega até 56 kbps. • Conforme o tipo de ModBus os quadros possuem formato de comandos diferentes. • Endereça Mestre e Escravo por chave ou software. • Distância máxima do Mestre até o último escravo de 400 m (sem repetidor), com FO até 3300 m. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 34

  35. MODBUS 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 35

  36. Topologia a 2 fios 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 36

  37. Exemplo de Rede ModBus REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI

  38. Protocolo Mestre-Escravo 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 38

  39. Comunicação em uma rede MODBUS 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 39

  40. Modelo de Aquisição/Resposta usado no MODBUS 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 40

  41. Modelo de Aquisição/Resposta usado no MODBUS 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 41

  42. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 42

  43. Modos de Mensagem • O formato dos quadros de comunicação entre Mestre e Escravos pode ser feito nos modos: • MODBUS ASCII (American Standard Code for Information Interchange) -transmite dados codificados em caracteres ASCII de 7 bits. Mensagens legíveis porém consome mais recursos de rede. • MODBUS RTU (Remote Terminal Unit) – Os dados são transmitidos em formato binário de 8 bits. Cada byte contém 2 caracteres hexadecimais de 4 bits cada. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 43

  44. Formato do Quadro usado no MODBUS-RTU 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 44

  45. Modos de Mensagem • O modo RTU é chamado de ModBus-B ou ModBus Binário e é o modo preferencial. • O ModBus Plus e o ModBus/TCP são outras variações do protocolo MODBUS. • MODBUS/TCP (sobre Ethernet) – Dados encapsulados no formato binário em quadros para a utilização do meio físico Ethernet. O mecanismo MAC é o CSMA/CD e as estações utilizam o modelo Cliente-Servidor. • Permite muito mais endereços de RS-485 • O uso de múltiplos Mestres • Velocidade de Transmissão na ordem de Gbps. • MODBUS Plus – versão ainda mantida sob o domínio da Schneider Electric e só pode ser implantada sob licença deste fabricante. Possui vários recursos adicionais. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 45

  46. Modos de Mensagem 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 46

  47. Formato do Frame usado no MODBUS/TCP 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 47

  48. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 48

  49. 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 49

  50. Simples – fácil trabalhar Infra estrutura simples (rede ModBus mais simples que a Ethernet) Opção de trabalhar com TCP/IP Aplicação indicada: Pequena troca de dados. Velocidade, se eu tenho necessidade de velocidade maior. Existência de várias versões. Distância pequena (alcanço) sem repetidor. Conectar no máximo 32 equipamentos (RS 485) Pontos Fortes e Fracos do ModBus 11/03/2014 REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI REDES INDUSTRIAIS - RCBETINI 50