Aula 09 - Redes para Automação Industrial - Parte 4

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UFRN – CT – DCA
Prof. Anderson Cavalcanti
� Propostas de Padronização de Redes do tipo
Fielbus:
◦ FIP (Factory Instrumentation Protocol);
◦ PROFIBUS (Process Field Bus).
Introdução:
� FIP elaborado por um conjunto de empresas
européias (principalmente francesas), órgãos do
governo francês e centros de pesquisa.governo francês e centros de pesquisa.
� Criadores conglomerados em torno do chamado
“Club FIP” (http://www.worldfip.org).
� Procurou levar em consideração as restrições de
tempo real impostas por aplicações de chão de
fábrica.
� Meios de transmissão: fibra ótica ou par trançado.
� Par trançado: previstas três velocidades de transmissão:
- S1: 31.25 Kbps (segurança intrínseca)
- S2: 1 Mbps (padrão)
- S3: 2.5 Mbps (processos de elevada dinâmica)- S3: 2.5 Mbps (processos de elevada dinâmica)
� Fibra ótica: velocidade de 5 Mbps.
� Bits codificados segundo o código Manchester, que permite o
envio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados.
� Suporta segmentos com comprimento de até 2000 m e até 256
estações.
� Método de acesso ao meio baseado na difusão ("Broadcasting").
� A difusão é organizada por uma entidade centralizada denominada
"árbitro de barramento".
� Dados representados por objetos (variáveis).
� Cada objeto é representado por um "nome" único no sistema.
� Cada objeto é elaborado por um único transmissor (produtor) e lido
por qualquer número de receptores (consumidores).
� A comunicação transcorre da seguinte forma:
- árbitro difunde na rede o nome da variável (objeto) a ser
transmitida;
- O produtor da variável difunde a informação ligada ao
identificador;
- todos os consumidores interessados lêem a variável difundida.
ÁrbitroÁrbitroÁrbitroÁrbitro
CCCC PPPP CCCC
ID_DATID_DATID_DATID_DAT
ÁrbitroÁrbitroÁrbitroÁrbitro
RP_DATRP_DATRP_DATRP_DAT
� A varredura das variáveis periódicas é feita a partir de
uma lista implementada no árbitro na inicialização.
� A transmissão de mensagens não periódicas é feita
conforme a norma IEEE 802.2, LLC tipos 1 e 3.
CCCC PPPP CCCC
� PRE: preâmbulo, utilizado para sincronização.
� FSD/FED: delimitadores de início e fim de quadro.
� EB: Bits de equalização, operam como bits de
interface entre os delimitadores e os dados
codificados em Manchester.
� DFS (Data Frame Sequence):
- Controle: tipo de quadro (quadro de identificação- Controle: tipo de quadro (quadro de identificação
de informação ou de envio de informação).
- Dados: contém endereço lógico ou valor de uma
variável, mensagem, reconhecimento ou lista de
identificadores.
- FCS: controle de erros com técnica polinomial
(polinômio gerador proposto pela CCITT).
PRE FSD EB DFS EB FED EB
FSS FES
FSS — Frame Start Sequence
FES — Frame End Sequence
ClasseClasseClasseClasse PrimitivaPrimitivaPrimitivaPrimitiva ComentáriosComentáriosComentáriosComentários
Atualização cíclica deAtualização cíclica deAtualização cíclica deAtualização cíclica de
dadosdadosdadosdados
L_PUT.req/L_PUT.req/L_PUT.req/L_PUT.req/cnfcnfcnfcnf
L_SENT.indL_SENT.indL_SENT.indL_SENT.ind
L_GET.req/L_GET.req/L_GET.req/L_GET.req/cnfcnfcnfcnf
L_RECEIVED.indL_RECEIVED.indL_RECEIVED.indL_RECEIVED.ind
atualiza dadosatualiza dadosatualiza dadosatualiza dados
sinaliza enviosinaliza enviosinaliza enviosinaliza envio
busca de dadosbusca de dadosbusca de dadosbusca de dados
sinaliza recepçãosinaliza recepçãosinaliza recepçãosinaliza recepção
Atualização nãoAtualização nãoAtualização nãoAtualização não
periódica de dadosperiódica de dadosperiódica de dadosperiódica de dados
L_PARAM.req/L_PARAM.req/L_PARAM.req/L_PARAM.req/cnfcnfcnfcnf requisita dadosrequisita dadosrequisita dadosrequisita dados
periódica de dadosperiódica de dadosperiódica de dadosperiódica de dados
Transmissão deTransmissão deTransmissão deTransmissão de
mensagem com ACKmensagem com ACKmensagem com ACKmensagem com ACK
L_MESSAGE_ACK.req/L_MESSAGE_ACK.req/L_MESSAGE_ACK.req/L_MESSAGE_ACK.req/ind/ind/ind/ind/cnfcnfcnfcnf c/ reconhecimentoc/ reconhecimentoc/ reconhecimentoc/ reconhecimento
Transmissão deTransmissão deTransmissão deTransmissão de
mensagem sem ACKmensagem sem ACKmensagem sem ACKmensagem sem ACK
L_MESSAGE.req/L_MESSAGE.req/L_MESSAGE.req/L_MESSAGE.req/indindindind s/ reconhecimentos/ reconhecimentos/ reconhecimentos/ reconhecimento
- FIP adota sub-conjunto do MMS para aplicações não
críticas no tempo.
- Para aplicações críticas no tempo, adota família de
serviços MPS ("Message Periodic/Aperiodic Services").
Classe Primitiva de serviço Comentários
Leitura de variáveis A_READ.req/cnf lê nomes de variáveis,Leitura de variáveis A_READ.req/cnf
A_READFAR.ind
lê nomes de variáveis,
estruturas, status, valores
Escrita de variáveis A_WRITE.req/cnf
A_WRITEFAR.ind
escreve especificação, valor,
status
Leitura do tipo de
variável
A_GETOBJECT_DESCRIPTION.req/cnf lê especificação
Acesso à listas de
variáveis
A_READLIST.req/cnf
A_WRITELIST.req/cnf
lê e escreve atributos,
valores
Serviços de
sincronização
A_SEND.ind
A_RECEIVE.ind
sincronização local e remota
� O projeto FIP definiu uma série de funções de
gerenciamento de rede:
◦ Definição e atualização das listas de objetos;
◦ Definição e atualização das tabelas de varredura;◦ Definição e atualização das tabelas de varredura;
◦ Gerenciamento das operações de partida e parada;
◦ Detecção e correção de falhas;
Introdução
� PROFIBUS desenvolvido na Alemanha, inicialmente pela Siemens
em conjunto com a Bosch e Klockner-Moeller em 1987.
� Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da� Em 1988 tornou-se um "Trial Use Standard" no contexto da
norma DIN (DIN V 19245, parte 1), que define as camadas Física e
Enlace.
� Posteriormente, grupo de 13 empresas e 5 centros de pesquisa
propuseram alterações nas camadas Física e Enlace e definiram a
camada de Aplicação (norma DIN V 19245, parte 2).
� Esta proposta é atualmente apoiada por mais de 300 empresas
européias e internacionais (www.profibus.com).
� A camada física do PROFIBUS baseia-se no padrão EIA RS-485
(Electronic Industries Association).
� Topologia barramento, utilizando como meio um par trançado
blindado.
Permite a interligação de até 32 elementos (estações ativas,� Permite a interligação de até 32 elementos (estações ativas,
passivas ou repetidoras) por segmento. São permitidos até 4
segmentos, totalizando um máximo de 128 estações.
� Codificação NRZ, podendo ser implementada com uma USART
simples (assíncrona).
� Taxas de transmissão: 9.6, 19.2, 93.75, 187.5, 500 Kbps, 1.5
Mbps, 12 Mbps.
� O PROFIBUS combina dois métodos deterministas de
acesso ao meio: "Master/Slave" e "Token-Passing".
anel lógicoanel lógicoanel lógicoanel lógico
Mestre 1Mestre 1Mestre 1Mestre 1 Mestre 2Mestre 2Mestre 2Mestre 2
EscravoEscravoEscravoEscravo
1111
EscravoEscravoEscravoEscravo
2222
EscravoEscravoEscravoEscravo
3333
EscravoEscravoEscravoEscravo
NNNN
tokentokentokentoken
� O PROFIBUS agrupa quadros em duas classes:
- quadros longos: para transmissão entre estações mais
complexas (ativas, mestres);
- quadros curtos: para dispositivos de campo simples
(passivas, escravos).
� Os quadros previstos incluem:� Os quadros previstos incluem:
- quadro longo sem campo de dados;
- quadro longo com campo de dados fixo;
- quadro longo com campo de dados variável;
- quadro curto sem campo de dados;
- quadro curto com campo de dados;
- quadro curto de passagem de token.
� Protocolo de enlace: FDL ("Fieldbus Data Link").
Classe Primitiva de serviço Comentários
SDN (Send Data with No
Acknowledge)
FDL_DATA envio de dados sem
reconhecimento
SDA (Send Data with
Acknowledge)
FDL_DATA_ACK envio de dados com
reconhecimento
RDR (Request Data with FDL_REPLY requisição de dados comRDR (RequestData with
Reply)
FDL_REPLY
FDL_REPLY_UPDATE
requisição de dados com
reconhecimento
CRDR (Cyclic Request Data
with Reply)
FDL_CYC_REPLY
FDL_CYC_DEACT
FDL_REPLY
FDL_REPLY_UPDATE
estação local requisita
ciclicamente dados ao usuário
remoto.
CSRD (Cyclic Send and
Request Data)
FDL_SEND_UPDATE
FDL_CYC_DATA_REPLY
FDL_CYC_DEACT
FDL_DATA_REPLY
FDL_DATA_UPDATE
estação local envia ciclicamente
e requisita simultaneamente
dados de resposta.
SRD (Send and Request
Data)
FDL_DATA_REPLY
FDL_REPLY_UPDATE
estação local envia e requisita
dados.
� Definido um subconjunto do MMS.
� Camada de Aplicação dividida em três
subcamadas:
- Fieldbus Message Specification (FMS):- Fieldbus Message Specification (FMS):
protocolo propriamente dito;
- Lower Layer Interface (LLI): interface com a
camada de Enlace;
- Application Layer Interface (ALI): interface com
as aplicações do usuário.
Introdução:
� Proposta iniciada pela ISA (Instrumentation Society of
America), pelo comitê "Standards and Practices 50".
� Hoje em elaboração pela ISA e IEC para definir padrão
mundial para Fieldbus.mundial para Fieldbus.
� Trabalhos de padronização ainda em andamento.
� Fieldbus Foudation: suporte aos usuários e
fabricantes (interoperabilidade, conformidade, etc).
� Home-page: http://www.fieldbus.org.
� Camada física compõe-se de três
subcamadas:
- DIS (data Independent Sublayer): interface com
camada de enlace (DTE);camada de enlace (DTE);
- MDS (Medium Dependent Sublayer): codifica
dados para formato compatível com o meio físico.
Especificação para par trançado: codificação
Manchester bifásica;
- MAU (Medium Attachment Unit): descreve o
transceptor para o meio físico.
DISDISDISDIS
(Data Independent Sublayer)(Data Independent Sublayer)(Data Independent Sublayer)(Data Independent Sublayer)
Camada de EnlaceCamada de EnlaceCamada de EnlaceCamada de Enlace
MDSMDSMDSMDS
(Medium Dependent Sublayer)(Medium Dependent Sublayer)(Medium Dependent Sublayer)(Medium Dependent Sublayer)
MAUMAUMAUMAU
(Medium Attachment Unit)(Medium Attachment Unit)(Medium Attachment Unit)(Medium Attachment Unit)
Meio FísicoMeio FísicoMeio FísicoMeio Físico
- Tipos de meio:
◦ Meio H1 (áreas de segurança intrínseca):
� Par trançado
� Taxa de transmissão de 31,25 Kbps
Até 32 estações se meio não é utilizado para a alimentação� Até 32 estações se meio não é utilizado para a alimentação
dos dispositivos de campo ou 6 estações com alimentação
pelo fio
� Topologias barramento, árvore e estrela;
� Distância até 1900m sem repetidores
� Até 4 repetidores
◦ Meio H2 (aplicações de alta velocidade):
� Par trançado.
� Taxa de transmissão de 1 Mbps ou 2,5 Mbps.
� Topologia em barramento e estrela.
� Distância máxima de 750 m para 1 Mbps e 500m para 2,5
Mbps, 30 estações (sem repetidores).
◦ Propostas alternativas:
� Fibra ótica.
� Sinais de rádio.
Classes de funções para estações:
- Responder: estação só transmite dados em resposta a uma
solicitação (estação "escrava");
- Initiator: estação pode se apoderar do direito de acesso ao
meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outrasmeio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras
estações por iniciativa própria;
- Linkmaster: estação pode exercer o papel de escalonador
de enlace, administrando o token e gerenciando o tempo
interno do sistema;
- Bridge: estação capaz de interligar entidades de enlace
diferentes;
� Se há mais de um "Linkmaster" no sistema, estes disputam entre si
na inicialização o papel de escalonador de enlace.
� A estação vencedora é chamada LAS (Link Active Scheduler).
� Existem três tipos de token:
- Token de escalonamento: disputado na inicialização por todas
as estações Linkmaster, define a estação LAS.
- Token de escalonamento: disputado na inicialização por todas
as estações Linkmaster, define a estação LAS.
- Token circulado: distribuído pela estação LAS às demais
estações com funcionalidade de Linkmaster, que formam um
anel lógico.
- Token delegado: enviado pela estação LAS a uma estação
qualquer por solicitação desta ou para atender às necessidades
de um serviço de comunicação escalonado pela LAS.
LASLASLASLAS
EstaçãoEstaçãoEstaçãoEstação
qualquerqualquerqualquerqualquer
Token de EscalonamentoToken de EscalonamentoToken de EscalonamentoToken de Escalonamento
Token DelegadoToken DelegadoToken DelegadoToken Delegado
Token CirculadoToken CirculadoToken CirculadoToken Circulado
LMLMLMLM
LMLMLMLM
LMLMLMLM
qualquerqualquerqualquerqualquer
� Formas de acesso ao meio:
◦ Token passing: segue seqüência predefinida na qual
o token sempre é recebido da LAS por um
“Initiator” e devolvido a ela após uso do meio.
◦ Resposta imediata: um “Initiator” ou o LAS solicita
um dado a um “Responder”, que emite um frame
em resposta (relação mestre-escravo).
um dado a um “Responder”, que emite um frame
em resposta (relação mestre-escravo).
◦ Requisição de token: uma estação envia um pedido
de token embutido em uma mensagem qualquer. O
LAS delega o token a ela quando tem tempo
disponível. Após o uso, token é devolvido a LAS.
� Modelos de comunicação suportados:
◦ Peer-to-Peer (P2P): pressupõe que cada estação na
rede possui capacidades e responsabilidades
equivalentes (isto difere do modelo
cliente/servidor, no qual algumas estações são
dedicadas a prestar serviços às demais). Nestededicadas a prestar serviços às demais). Neste
modelo, cada frame contém o endereço do emissor
e do(s) receptor(es). A comunicação envolve 1
emissor e 1 ou mais receptores.
◦ Produtor / consumidor: frame gerado pelo
produtor (gerador de um dado) é difundido para
todas as estações (broadcasting) e contém, no
campo de endereço, a identificação de uma
variável. Todas as estações interessadas
(consumidoras) podem ler o frame.
� Camada de Enlace subdividida em quatro subcamadas:
- Subcamada de acesso a Enlace: interface com a camada
física, gerencia token e serviços de resposta imediata;
- Subcamada de escalonamento de Enlace: faz
escalonamento de atividades da entidade de enlace.escalonamento de atividades da entidade de enlace.
Mais complexa em estações Linkmaster (podem assumir
a função de LAS);
- Subcamada de gerenciamento de conexões: estabelece
e rompe conexões;
- Subcamada de gerenciamento de Ponte: só existe em
estações tipo Bridge.
Subcamada de Gerenciamento de PonteSubcamada de Gerenciamento de PonteSubcamada de Gerenciamento de PonteSubcamada de Gerenciamento de Ponte
Subcamada de Gerenciamento deSubcamada de Gerenciamento deSubcamada de Gerenciamento deSubcamada de Gerenciamento de
ConexõesConexõesConexõesConexões
Camada deCamada deCamada deCamada de
AplicaçãoAplicaçãoAplicaçãoAplicação
ConexõesConexõesConexõesConexões
Subcamada de EscalonamentoSubcamada de EscalonamentoSubcamada de EscalonamentoSubcamada de Escalonamento
Camada FísicaCamada FísicaCamada FísicaCamada Física
Subcamada de Acesso a EnlaceSubcamada de Acesso a EnlaceSubcamada de Acesso a EnlaceSubcamada de Acesso a Enlace
� Camada de aplicação ainda em discussão.
� Procura conjugar MMS, para aplicações sem restrições temporais,
com MPS (serviços tipo READ/WRITE inspirados no FIP) para
atender tráfego cíclico e acíclico com requisitos de tempo real
"duro".
� Camada de aplicação prevê os seguintes serviços:
- MCSE (Message Common Service Element): estabelece e
interrompe conexões entre processos de aplicação
(Correspondem aos serviços ACSE da ISO).
- IMSE (Industrial Message Service Element): serviços
semelhantes aos oferecidos pelo MMS do projeto MAP.
- DDM (Distributed Database Maintenance): Serviços de acesso
à bases de dados distribuídas.
� SP-50 define User Layer, situada acima da camada de
aplicação
� Oferece serviços adequados a diversos tipos deaplicações
(como "companion standards" do MAP).
� Trabalhos atuais: PCUL - Process Control User Layer.
� Outros trabalhos deverão atender as áreas de:
- automação da manufatura;
- controle predial (imótica);
- eletrônica embarcada (automóveis),
- aplicações domésticas (domótica),
- etc.
� SP-50 inclui funções de gerenciamento de rede:
- Gerenciamento de configuração de rede:
� carregamento;
� inicialização de endereços;
� configuração de comunicação e aplicação;� configuração de comunicação e aplicação;
� partida, etc.;
- Controle de operação: ferramentas de sincronização,
escalonamento, etc.;
- Monitoração de desempenho: detecção, diagnose e
recuperação de erros, avaliação e otimização de
desempenho, etc.
- Uma vez definido um padrão internacionalmente aceito, o
Fieldbus deverá revolucionar o setor de instrumentação.
- Esta tecnologia permite que a inteligência seja totalmente
distribuída pelo campo e favorece o surgimento de dispositivos
com capacidades locais de processamento cada vez mais
sofisticadas.sofisticadas.
- A integração total dos equipamentos permitirá alterações nos
procedimentos de operação das plantas industriais.
- O Fieldbus deverá também propiciar a intercambiabilidade a
nível de sensores, atuadores, transmissores e controladores,
trazendo ao usuário uma maior flexibilidade na compra de
produtos e abrindo espaço para novos fabricantes.
� Apostila de Sistemas Distribuídos e Redes de
Computadores para Controle e Automação
Industrial, Prof. Marcelo Ricardo Stemmer,
UFSC, 2001;
� Referências na Internet.� Referências na Internet.