trabalho3-9

Prévia do material em texto

1 
A Tecnologia DeviceNet 
 
 
Ana Claudia Medeiros Lins de Albuquerque 
Departamento de Engenharia de Computação e Automação 
Universidade Federal do Rio Grande do Norte 
Campus Universitário s/n - 59072-970 - Natal - RN - Brazil 
aclaudia@dca.ufrn.br 
 
 
Resumo 
 
 As redes industriais vêm cada vez mais sendo 
implantadas em indústrias e em sistemas de automação 
e controle uma vez que proporcionam diversas 
melhorias a esses processos, tais como redução de 
custos de implantação e manutenção, além de serem 
capazes de tornar esses processos mais rápidos e 
eficientes. Além disso, um outro fator importante para a 
disseminação de redes industriais é a crescente 
distribuição geográfica, que vem sendo acentuada nas 
novas instalações industriais. Neste artigo, é feito um 
estudo sobre a rede industrial DeviceNet. As suas 
principais características, assim como questões de 
instalação, manutenção e interoperabilidade serão 
abordadas. 
 
 
Abstract 
 
Industrial networks are being used, even more 
frequently, in automation and control systems due to the 
improvements they provide to these processes, such as 
reduction of costs of installation and maintenance. 
Futhermore, industrials networks can enhance both the 
speed and the efficiency of the industrial processes. 
Also, another important factor to the spread of 
industrial networks is the boost of geografic distribution 
of new industrial establishments. In this paper, it is 
presented the industrial network DeviceNet. In addition, 
some characteristics of this industrial network , such as 
installation, maintenance and interoperability are 
discussed. 
 
Palavras Chaves: Automação Industrial, Redes 
industriais, DeviceNet. 
 
 
1. Introdução 
 
 
Por muitos anos, a automação industrial vem 
tentando substituir o velho padrão de corrente 4-20mA 
por um sistema de comunicação serial. 
 
As redes industriais apresentam como grande 
vantagem a redução significativa de cabos de controle e 
seus acessórios (bandejamento, leitos, eletrodutos, 
conectores, painéis, etc.) que interligam os elementos de 
campo ao sistema controlador (CLP). 
 
A redução também é muito significativa no projeto e 
na instalação, pois com menos cabos, diminui-se o 
tempo de projeto e dos detalhes de encaminhamento dos 
cabos. 
 
Do ponto de vista de manutenção, ganha-se a 
medida que o sistema fornece mais informações de 
status e diagnósticos, mas por outro lado requer-se 
pessoal mais qualificado e treinado para compreender e 
utilizar os recursos disponíveis. 
 
A Figura 1 ilustra a forma tradicional de interligação 
dos dispositivos de campo com o seu controlador, em 
comparação com os dispositivos ligados em rede e 
distribuídos no campo. 
 
 
 
 
 
Figura 1: Forma Tradicional de Interligação dos Dispositivos de 
Campo com o seu Controlador × Dispositivos Ligados em Rede e 
Distribuídos no Campo 
 
 
Neste artigo, será fornecida uma introdução à rede 
industrial DeviceNet. Esse tipo de rede industrial é 
bastante importante e vem sendo cada vez mais utilizada 
em processos industriais. 
 
A rede DeviceNet consiste em uma evolução para a 
comunicação digital em instrumentação e controle de 
processos e vem sendo aplicada na indústria em 
substituição ao velho padrão de corrente 4-20mA. 
 
 
 
 
 
 2 
2. Conceitos básicos 
 
 
 A rede DeviceNet é uma rede de baixo nível que 
proporciona comunicações utilizando o mesmo meio 
físico entre equipamentos desde os mais simples, como 
sensores e atuadores, até os mais complexos como 
controladores lógicos programáveis (CLP’s) e micro -
computadores. 
 
 A rede DeviceNet possui o protocolo aberto, tendo 
um número expressivo de fornecedores de equipamento 
que adotaram o protocolo. 
 
 A Open DeviceNet Association , também conhecida 
como ODVA, é uma organização independente com 
objetivo de divulgar, padronizar e difundir a rede 
DeviceNet, visando o seu crescimento mundial. 
 
A rede DeviceNet é baseada no protocolo CAN 
(Controller Area Network ), desenvolvido pela BOSCH 
nos anos 80 originalmente para aplicação 
automobilística. 
 
 O protocolo CAN define uma metodologia MAC 
(Controle de Acesso ao Meio) e fornece como 
segurança uma checagem CRC (Vistoria Redundante 
Cíclica), que detecta estruturas alteradas e erros 
detectados por outros mecanismos do protocolo. 
 
 A rede DeviceNet é muito versátil, sendo utilizada 
em milhares de produtos fornecidos por vários 
fabricantes, desde sensores inteligentes até interfaces 
homem-máquina, suportando vários tipos de mensagens 
fazendo com que a rede trabalhe da maneira mais 
inteligente. 
 
 
 
3. Características da Rede DeviceNet 
 
 
3.1. Meio Físico 
 
 
O meio físico da rede DeviceNet utiliza dois pares de 
fios, um deles para a comu nicação e o outro para 
alimentação em corrente contínua dos equipamentos. 
 
Os sinais de comunicação utilizam uma técnica de 
tensão diferencial para reduzir o efeito de indução e 
ruídos eletromagnéticos. A alimentação da corrente 
contínua, por sua vez, é de 24V, o que provê proteção 
aos instaladores contra acidentes. 
 
A Figura 2 ilustra o meio físico da rede DeviceNet. 
 
 
 
Figura 2: Meio Físico da Rede DeviceNet 
 
 
3.2. Número de Estações Ativas 
 
 
A rede DeviceNet pode ter 64 equipamentos ativos, 
que utiliza m o barramento para se comunicar, 
endereçados de 0 a 63. 
 
Vale a pena ressaltar que este número significa 64 
equipamentos com comunicação CAN ligados ao 
mesmo meio físico. 
 
Entretanto, deve-se observar que as caixas de 
derivação não ocupam nenhum endereço na rede e os 
módulos de I/O, muitas vezes, idependentemente do 
número de entradas e saídas ocupa somente um 
endereço. 
 
A Figura 3 ilustra o número de estações ativas em 
uma rede DeviceNet. 
 
 
 
Figura 3: Número de Estações Ativas em uma Rede DeviceNet 
 
É sugerida, entretanto, a utilização de no máximo 61 
equipamentos, deixando os seguintes endereços livres 
ao se fazer um novo projeto: 
 
• Endereço “0” para o scanner; 
• Endereço “62” para a interface 
microcomputador-rede; 
• Endereço “63” para novos equipamentos 
que venham a ser inclusos. 
 
 3 
Entretanto, quando existe a necessidade de 
instalação de mais do que 64 estações ativas, pode-se 
utilizar mais scanners, levando sempre em consideração 
os seguintes fatores limitantes: 
 
• Memória Disponível: 
 
Norma lmente é o principal limitante. A maneira 
como a CPU faz a leitura da rede através do scanner 
é variável conforme o fabricante/família do 
equipamento, porém, basicamente, é a memória da 
CPU um dos limitantes, pois cada equipamento da 
rede ocupa um espaço da memória. 
 
• Rack: 
 
Existem determinados fabricantes que fornecem 
CLP’s com um rack para um determinado número 
de cartões, e caso todos os slots estejam ocupados, 
para expandir há a necessidade de troca/expansão do 
rack. Outra interface utilizada ao invés do scanner 
são placas ligadas diretamente ao micro, e neste caso 
o limitante é o número de slots livres. 
 
• Tempo de Resposta: 
 
Quanto maior o número de I/O que o CLP deve 
fazer a varredura, maior o tempo de processamento 
das informações, portanto este também é outro 
limitante, principalmente em processos onde exista a 
necessidade de velocidade na 
leitura/processamento/ação. Como foi citado 
anteriormente, dependendo do método de 
comunicação do equipamento de campo, são gerados 
maiores ou menores tempos de varredura, assim 
como também varia o tamanho do pacote de 
informações a serem trocados entre equipamento de 
campo/scanner. 
 
 
3.3 Taxa de Comunicação 
 
 
A taxa de comunicação é a velocidade com que os 
dados são transmitidos no barramento da rede, e quanto 
maior a velocidade, menor é o tempo de varredura da 
rede, mas em contra partida menor é o comprimento 
máximo dos cabos. A Tabela 1 apresenta as três 
velocidades de transmissão possíveis com a rede 
DeviceNet. 
 
 
Taxas de Transmissão 
125 Kbits/s 
250 Kbits/s 
500 Kbits/s 
 
Tabela 1: Três Velocidadesde Transmissão 
Possíveis com a Rede DeviceNet 
Na grande maioria das aplicações, a velocidade ideal 
é de 125Kbit/s pois gera a melhor relação 
custo/benefício, devido a possibilidade da instalação de 
mais equipamentos, pois permite o maior comprimento 
de cabo possível. 
 
A taxa de transmissão pode ser configurada via 
hardware (chaves dipswitch) ou via software, 
normalmente da mesma forma que o endereço 
DeviceNet. 
 
Vale a pena ressaltar que em uma mesma rede 
DeviceNet, todos os equipamentos devem estar 
configurados para a mesma taxa de comunicação, 
podendo colocar o funcionamento da rede em risco caso 
contrário. 
 
 
3.4 Cabos DeviceNet 
 
 
Os cabos para redes DeviceNet possuem dois pares 
de fios, um para alimentação 24Vcc e outro para a 
comunicação digital. São normalizados e possuem 
especificações rígidas que garantem o funcionamento da 
rede nos comprimentos pré-estabelecidos. 
 
A Tabela 2 apresenta os comprimentos máximos dos 
cabos em função da taxa de comunicação adotada para a 
rede. Tem-se que, quanto maior o cabo, maior sua 
indutância e capacitância distribuída que atenua os 
sinais digitais de comunicação. 
 
 
Tipo do 
Cabo 
 
Função do 
Cabo 
 
 
Taxa 
 
de 
 
Transmissão 
 
 
 
 
 
125Kbits/s 
 
250Kbits/s 
 
500Kbits/s 
 
Cabo 
Grosso 
 
Tronco 
 
500m 
 
250m 
 
100m 
 
Cabo 
Fino 
 
 
Tronco 
 
100 m 
 
100m 
 
100m 
 
Cabo 
Flat 
 
 
Tronco 
 
380m 
 
200m 
 
75m 
 
Cabo 
Fino 
 
 
Derivação 
 
6m 
 
6m 
 
6m 
 
Cabo 
Fino 
 
S 
Derivações 
 
 
156m 
 
 
78m 
 
39m 
 
Tabela 2: Comprimentos Máximos dos Cabos em 
Função da Taxa de Comunicação da Rede 
 
Os limites nos comprimentos dos cabos foram 
tecnicamente determinados e normalizados e devem ser 
rigorosamente respeitados, para que haja garantia do 
 
 4 
funcionamento adequado da rede. Caso os limites forem 
extrapolados, a rede pode até funcionar inicialmente, 
porém, intermitentemente, poderá haver quedas na 
comunicação devido a transitórios e instabilidades 
resultantes do baixo nível no sinal diferencial de 
comunicação. 
 
 
4. Protocolo da Rede DeviceNet 
 
 
 Conforme dito anteriormente, a rede DeviceNet é 
baseada no protocolo CAN, que obteve aceitação 
mundial como um protocolo muito versátil e confiável, 
além de ser uma plataforma econômica para a troca de 
dados aplicáveis em sistemas móveis, máquinas, 
equipamentos técnicos e automação industrial. 
 
 Baseado nas sofisticadas normas de protocolos de 
alto nível, o protocolo CAN é feito na tecnologia de 
automação aberta, e compete prosperamente em 
sistemas de automação distribuídos. 
 Uma das principais razões para o sucesso das 
tecnologias baseadas no protocolo CAN é a capacidade 
de comunicação produtor-consumidor para transmissão 
de dados e capacidade de trabalhar com multi-mestre. 
Com essas propriedades, o protocolo CAN do ponto de 
vista técnico é bastante atrativo para ser usado em 
sistemas distribuídos. 
 
 O protocolo CAN pode ser mostrado de acordo com 
o modelo OSI, como ilustra a Figura 4. 
 
 
 
Figura 4: O Protocolo CAN de Acordo com o Modelo OSI 
 
 
A camada 1 é responsável por funções como 
codificação, tempo de bit e sincronização de bit. A 
camada 2, por sua vez, é responsável por funções como 
arbitração, frame de mensagem e segurança de dados, 
validação de mensagens, detecção e sinalização de erros 
e limites de falhas. 
 
A camada de conexão de dados da DeviceNet é 
totalmente definida pela especificação CAN e 
imple mentação por seus chips. 
 
São definidos dois estados lógicos: recessivo (lógica 
1) e dominante (lógica 0). Qualquer nó pode iniciar uma 
transmissão levando o barramento do estado recessivo, 
(condição sem comunicação), para o estado dominante 
(início do frame). 
 
Alguns tipos de frames (mensagens) são definidos 
pelo protocolo CAN: 
 
• Data Frame; 
• Overload Frame; 
• Remote Frame; 
• Error Frame . 
 
O protocolo DeviceNet utiliza somente o Data 
Frame, sendo que os demais frames ainda não foram 
implementados. 
 
A Figura 5 ilustra o frame de dados da rede 
DeviceNet. 
 
 
 
Figura 5: Frame de Dados da Rede DeviceNet. 
 
 
 
5. Manutenção 
 
 
A manutenção de uma rede DeviceNet pode ser 
muito simples ou extremamente complexa e confusa, 
dependendo de como a rede foi montada. 
 
 Uma rede com pré -projeto, analisando topologia, 
comprimento dos cabos, cálculo de queda de tensão, 
cálculo de correntes admissíveis, e análise da banda 
utilizada determinam a estabilidade e funcionalidade da 
rede. Caso esses fatores não sejam considerados, podem 
ocorrer problemas de instabilidades na rede. 
 
Redes bem projetadas dificilmente apresentam 
problemas de instabilidade. Entretanto, caso isto ocorra, 
existem softwares e equipamentos de análise para as 
redes DeviceNet que fornecem importantes dicas para 
solução de problemas tais como número de erros por 
segundo da rede como um todo e de cada endereço, 
número de erros acumulados, porcentagem de utilização 
da banda de comunicação disponível, tensão entre 
negativo e dreno e tensões entre as linhas de 
comunicação e a alimentação. 
 
Vale ressaltar que o número de erros acumulados 
por endereço fornece uma importante pista de onde 
possa estar o problema, entretanto, precisa-se prestar 
 
 5 
muita atenção pois redes com problemas de aterramento 
podem causar falhas de comunicação com algum 
equipamento que esteja funcionando corretamente. 
 
 
6. Interoperabilidade 
 
 
Uma grande vantagem da rede DeviceNet é a 
habilidade de se ligar/desligar os equipamentos com a 
rede energizada sem a necessidade de desligar sua 
alimentação. Entretanto, medidas extras com relação a 
topologia e a estrutura de conexão devem ser adotadas 
para que, ao se subtituir um equipamento qualquer, não 
ocorra o desligamento dos equipamentos subseqüentes. 
 
Para efetuar trocas com maior segurança, deve-se 
utilizar as caixas de derivação, onde liga-se e desliga-se 
os equipamentos através de conectores plug-in que 
minimizam a probabilidade de curto entre os fios, que 
podem interromper o funcionamento da rede e até 
danificar permanentemente vários equipamentos. 
 
 
7. Conclusões 
 
 
A rede industrial DeviceNet consiste em uma rede de 
comunicação de baixo custo, idealizada para interligar 
componentes industriais e proporciona inúmeras 
vantagens para a automação industrial, conforme já foi 
mencionado anteriormente. Através de seu uso, gastos 
com instalação de equipamentos, assim como de 
manutenção podem ser drasticamente reduzidos. 
 
Além de eliminar o excesso de gasto com a 
instalação dos equipamentos, a rede proporciona a 
comunicação entre os participantes, implementando 
níveis de auto-diagnóstico, nem sempre disponível nas 
instalações convencionais. 
 
Por fim, conclui-se que a DeviceNet é uma solução 
simples para instrumentação de redes industriais 
reduzindo os custos de instalação e os tempos de 
montagem dos equipamentos ao mesmo tempo em que 
permite a intercambialidade dos intrumentos de diversos 
fabricantes. 
 
Vale ressaltar que a existência da Open DeviceNet 
Vendor Association (ODVA) é de fundamental 
importância, uma vez que é responsável pela 
manutenção do padrão da rede DeviceNet . A ODVA 
também atua junto aos fabricantes, fornecendo cursos de 
treinamento, software de desenvolvimento de produtos, 
teste de conformidade, entre outros. 
 
 
 
 
Referências 
 
 
[1] Constantino Seixas Filho, Tutorial – DeviceNet; 
 
[2] Cursos de Redes Industriais – DeviceNet – 
www.sense.com.br; 
 
[3] www.odva.org.