Redes Industriais e Sistemas Supervisórios - Estácio - André Sarmento - Cap3

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 CAPÍTULO 3 
PROTOCOLOS INDUSTRIAIS – PARTE 1 
 
 
 
Existem diversos tipos de tecnologias para redes industriais, estas diferem entre si pelas características 
físicas e mecânicas (tal como o meio de transmissão usado), bem como o tipo de protocolo. 
Protocolo fica assim definido como o conjunto de convenções e procedimentos que regulamentam a 
transmissão de dados entre diferentes equipamentos. 
São exemplos de protocolos industriais: HART, MODBUS, PROFIBUS, CAN, AS-i, ControlNet, DeviceNet, 
Ethernet Industrial e o TCP/IP. 
 
O Protocolo HART 
 
O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) foi criado em 1980. Em 1990 o protocolo foi 
aberto à comunidade e um grupo de usuários foi fundado. 
 
A grande vantagem oferecida por este protocolo é possibilitar o uso de instrumentos inteligentes em cima 
dos cabos 4-20mA tradicionais. Como a velocidade é baixa, os cabos normalmente usados em 
instrumentação podem ser mantidos. 
 
O que são Circuitos e Transmissores de 4-20mA? 
Os transmissores de corrente de 4mA a 20mA, geralmente denominados “transmissores de 4 a 20” ou “circuitos de 4 a 
20” ou ainda, simplesmente, “4 a 20”, são circuitos utilizados em acoplamento de transdutores (sensores) dos mais 
diversos tipos: tensão, temperatura, nível, pressão, posição, etc. 
 
 
O transmissor de 4 a 20 recebe o sinal do transdutor e o converte em um sinal de corrente da seguinte forma: 4mA 
para o valor mínimo a ser medido pelo sensor, 20mA para o valor máximo a ser medido pelo sensor. Os valores 
intermediários normalmente são proporcionais com função de transferência linear (reta). Se este não for o caso, a 
função de transferência deve ser conhecida (ou ter valores pontuais tabelados), para que se efetue a correta 
correlação entre a corrente e a grandeza que está sendo medida. 
 
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Genericamente, podemos dizer que 4ma corresponde a 0% da variável de controle e 20mA corresponde a 100% da 
variável de controle (grandeza que está sendo medida e convertida em um sinal elétrico). 
 
Quando nos deparamos pela primeira vez com este circuito (4 a 20), algumas perguntas muito naturais nos surgem à 
mente: por que transmitir um sinal de corrente e não de tensão? Por que a faixa vai e 4mA a 20mA? Não seria mais 
apropriado utilizar uma faixa de 0mA a 20mA? Por que 20mA e não 50mA ou 100mA? 
 
Em primeiro lugar, sinais de corrente não sofrem o efeito da queda de tensão na linha, nas conexões, e em demais 
elementos do circuito. Se transmitíssemos um sinal de tensão, para cada comprimento de linha de transmissão, 
teríamos diferentes quedas de tensão, o que produziria erros difíceis de serem conhecidos no sinal recebido. Com o 
sinal de corrente isso não acontece, uma vez que o transmissor irá manter a corrente constante e proporcional à 
variável do processo. Desde que a fonte de alimentação suporte o total das quedas de tensão, poderemos inserir 
elementos em série com a linha de transmissão (PLCs, medidores, etc), sem alterar o sinal que está sendo 
transmitido. 
 
Em segundo lugar, podemos citar pelo menos duas razões fundamentais para não se partir do 0mA: 
1a) Se utilizamos 4mA como valor mínimo a ser transmitido, podemos, seguramente, alimentar nosso circuito 
transmissor com 3mA. Isto é fundamental para o transmissor a dois fios, uma vez que o mesmo não terá uma fonte de 
alimentação de tensão contínua. Sua alimentação será retirada da própria linha de transmissão do sinal (dois fios). 
Este procedimento simplifica e reduz o custo do sistema de medição. 
2a) Qualquer sinal abaixo de 4mA, indica que há algum problema no sensor ou no circuito ou na linha de transmissão 
(um sinal igual a zero, por exemplo, pode ser um bom indicativo de que a linha de transmissão foi interrompida!). 
 
A maioria dos conversores A/D, opera com tensões de entrada de, no máximo, 5V. Assim, se utilizarmos um resistor de 
precisão de 250ohms na entrada do conversor A/D, alimentado por um sinal de 4 a 20, termos uma tensão de entrada 
de 1V a 5V (lei de Ohm). 
 
 
Voltando ao HART: 
O sinal Hart é modulado em FSK (Frequency Shift Keying) e é sobreposto ao sinal analógico de 4-20 mA. 
Para transmitir o bit 1 é utilizado um sinal de 1 mA pico a pico na freqüência de 1200 Hz e para transmitir 
um bit 0 a freqüência de 2400 Hz é utilizada. A comunicação é bidirecional. 
 
Assim, é possível utilizar a comunicação analógica dos sensores 4-20mA simultaneamente como a 
comunicação digital provida pelo HART. Tal configuração só é possível para um escravo no par de fios. 
 
Para a utilização de mais de um dispositivo escravo (topologia multidrop) o sinal analógico é desprezado. 
A corrente que era usada na comunicação analógica fica definida em 4ma todo o tempo (apenas para a 
alimentação dos dispositivos), e os sinais de controle são transmitidos nas frequências conhecidas 
1200KHz-2400KHz. Pode-se configurar até 15 dispositivos nesse modo. 
 
 
 
 
 
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Sinal Hart sobreposto ao sinal 4-20 mA 
 
Obs.: O protocolo HART permite o uso de até dois mestres. O mestre primário é um computador ou CLP ou 
multiplexador. O mestre secundário é geralmente representado por terminais hand-held de configuração e 
calibração. 
 
Protocolo HART com dois mestres 
 
 
Terminal de calibração multifunção Fluke 744 e calibrador 
de loop de corrente Fluke 707 para instrumentos HART. 
 
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Modos de comunicação: 
 
 Mestre-escravo: É o modo default de operação. Cada ciclo de pedido e recebimento de valor dura 
cerca de 500 ms, o que implica na leitura de dois valores por segundo. 
 
 Burst ou broadcast: O dispositivo (escravo) pode enviar de forma autônoma e periódica o valor de 
uma variável, por exemplo, a PV (Primary Variable). No intervalo entre estes envios o mestre 
pode executar um ciclo de pergunta e resposta. A taxa de transmissão neste caso se eleva para 3 
ou 4 por segundo. O mestre pode enviar uma mensagem para interromper este envio contínuo de 
mensagens, segundo sua conveniência. Cada mensagem pode comunicar o valor de até quatro 
variáveis. Cada dispositivo HART pode ter até 256 variáveis. 
Obs.: A PV (Primary Variable) é o valor primário ou principal do dispositivo. Se o dispositivo é um 
sensor de pressão a PV é o valor da pressão medida naquele momento. 
 
 Mestre-escravo em multidrop: Quando usando uma topologia do tipo multidrop, a rede HART 
suporta até 15 instrumentos de campo. Apenas o modo mestre escravo pode ser utilizado. Neste 
caso o valor da corrente é mantido no seu nível mínimo de 4 mA e o valor da PV deve ser lido 
através de uma mensagem explícita. 
 
A grande deficiência da topologia multidrop é que o tempo de ciclo para leitura de cada 
dispositivo é de cerca de meio segundo podendo alcançar um segundo. Neste caso para 15 
dispositivos o tempo será de 7,5 a 15 segundos, o que é muito lento para grande parte das 
aplicações. 
 
 
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Cabeamento: 
 
O HART utiliza como meio de transmissão um par trançado. 
A distância máxima permitida é de cerca de 3000 m com cabo com um par trançado blindado e de 1500 m 
com cabo múltiplo com blindagem simples. 
 
O fator mais limitante do comprimentodo cabo é sua capacitância. Quanto maior a capacitância e o 
número de dispositivos, menor a distância máxima permitida: 
 
Comprimento máximo do cabo em função da capacitância do cabo 
 
 
 
O Protocolo MODBUS 
 
O MODBUS é um protocolo para barramento de campo criado pela empresa MODICON, fabricante de 
produtos para automação, visando o uso em seus próprios dispositivos. Porém, com o tempo, o MODBUS foi 
adotado por um grande número de fabricantes, com autorização da própria MODICON passando a ser um 
protocolo aberto. Na verdade, o MODBUS, apesar de antigo (foi criado da década de 70!), é utilizado ainda 
hoje por milhares de fabricantes de dispositivos para automação. 
 
O MODUBUS utiliza o RS-232, RS-422, RS-485 ou Ethernet como meios físicos. O mecanismo de controle de 
acesso é do tipo mestre-escravo ou Cliente-Servidor. A estação mestre (geralmente um PLC ou sistema 
supervisório) envia mensagens solicitando dos escravos que enviem os dados lidos pela instrumentação ou 
envia sinais a serem escritos nas saídas para o controle dos atuadores. O protocolo possui comandos para 
envio de dados discretos (entradas e saídas digitais) ou numéricos (entradas e saídas analógicas). 
 
O MODBUS é funciona no modo mestre-escravo, nesse modo, escravos não podem se comunicar 
diretamente, toda a comunicação deve passar por um mestre. 
 
Um mestre pode requisitar ou enviar informação para um escravo em particular e esperar pela resposta ou 
pode enviar uma mensagem comum para todos os escravos (broadcast). Como o mestre está ligado, assim 
como todos os escravos sobre uma rede bidirecional do tipo barramento, é necessário designar um 
endereço para cada escravo. Este endereço pode variar de 1 a 247, sendo possível haver um mestre e 247 
escravos. 
 
 
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Modos de funcionamento: 
 MODBUS RTU: Todos os dados do quadro são transmitidos em binário. O modo RTU também é 
chamado de ModBus-B ou Modbus Binario e é o modo preferencial. 
 MODBUS ASCII: Todos os dados do quadro são convertidos para ASCII. 
 
Exemplo: Transmissão do endereço 3B (hexadecimal) 
RTU: 00111011 
ASCII: 3 = 33h B = 42h 0110011 1000010 (utiliza-se caracteres de 7 bits) 
 
Formato do quadro MODBUS RTU: 
 
 
Significado dos campos se for um quadro de requisição (enviado pelo Mestre): 
 
 Address (endereço): Endereço do escravo (1 a 247) ou 0 para broadcast. 
 Function Code (código da função): Designa um dado comando de leitura ou escrita no 
escravo. 
 Data (Dados): Os dados a serem escritos no escravo caso o comando seja de escrita ou 
dados específicos de leitura, caso o comando seja de leitura. 
 CRC (Palavra de controle): Dois bytes calculados para detectar erros de transmissão, 
utilizando CRC-16. Este valor é calculado a partir de todos os grupos de 16 bits (2 bytes) 
do quadro, excluindo obviamente o próprio CRC. No escravo, este valor é calculado 
novamente e comparado ao valor enviado. 
 
Significado dos campos se for um quadro de resposta (enviado pelos escravos): 
 
 Address (endereço): Endereço do escravo (1 a 247) que está respondendo. 
 Function Code (código da função): Comando de requisição (leitura) ou escrita realizado 
no escravo. 
 Data (Dados): Os dados solicitados do escravo, caso o comando executado tenha sido de 
leitura ou o eco do valor escrito, caso o comando tenha sido de escrita. 
 CRC (Palavra de controle): Dois bytes calculados para detectar erros de transmissão, 
utilizando CRC-16. Este valor é calculado a partir de todos os grupos de 16 bits (2 bytes) 
do quadro, excluindo obviamente o próprio CRC. No mestre, este valor é calculado 
novamente e comparado ao valor enviado. 
 
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Dinâmica da requisição/resposta entre mestre e escravo: 
 
 
 
 
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Alguns códigos de funções: 
 
0x05 – (Write Single Coil) - Altera o estado de uma saída digital 
No jargão MODBUS um coil é uma saída discreta, ou seja, uma saída digital (ON, OFF). 
Poderia ser, por exemplo, ser uma válvula (abrir ou fechar) ou uma lâmpada (ligar ou desligar) 
 
Estrutura do quadro: 
 Endereço do escravo (1 a 247) 
 Código da função (0x05) 
 Dados: 
Endereço da saída digital (2 bytes) – informação específica do dispositivo escravo 
Estado (2 bytes): 
o 0x00 0x00 – OFF (desligar) 
o 0xFF 0x00 – ON (ligar) 
 CRC (2 bytes calculados em função dos anteriores) 
Para os interessados no cálculo do CRC: 
http://www.modbustools.com/modbus_crc16.htm 
http://pt.wikipedia.org/wiki/CRC 
 
Resposta gerada: O quadro de resposta gerado é um eco da requisição. 
 
0x01 (Read Coils) - Lê um número variável de saídas digitais. 
Um dispositivo escravo pode ter várias sáidas digitais, assim, é possível obter o estado destas 
várias saídas a partir de um único comando. 
 
Estrutura do quadro: 
 Endereço do escravo (1 a 247) 
 Código da função (0x01) 
 Dados: 
Endereço inicial (2 bytes) – informação específica do dispositivo 
Número de saídas (2 bytes) – quantas saídas serão lidas a partir do endereço inicial 
 CRC (2 bytes calculados em função dos anteriores) 
Para os interessados no cálculo do CRC: 
http://www.modbustools.com/modbus_crc16.htm 
http://pt.wikipedia.org/wiki/CRC 
 
 
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Resposta gerada: O quadro de resposta gerado é quase idêntico ao da requisição, exceto o 
campo de dados que terá: 
 Contador de bytes: quantidade de bytes que seguem no status de resposta 
 Resposta (estado das saídas digitais): 
Neste caso o estado das saídas são expressos pelos valores dos bits dentro do byte (bit 0 – 
desligado, bit 1 – ligado) 
 
Exemplo: Suponha que foi requisitado o estado de 8 saídas digitais de um escravo número 18: 
 
Estrutura do quadro de requisição: 
 Endereço do escravo = 18 
 Código da função = 0x01 
 Dados: 
Endereço inicial (2 bytes) – informação específica do dispositivo. Ex. 0x00 0x06 
Número de saídas = 8 
 CRC (2 bytes calculados em função dos anteriores) 
 
Estrutura do quadro de resposta: 
 Endereço do escravo = 18 
 Código da função = 0x01 
 Dados: 
Contador de bytes = 1 
Resposta (estado das saídas digitais): Ex.: 0xCD, que significaria: 
ON–ON–OFF–OFF–ON–ON–OFF–ON ( 1 1 0 0 1 1 0 1 ) 
 CRC (2 bytes calculados em função dos anteriores) 
 
Outros códigos de função: 
0x02 (Read Input Status) - Lê um número variável de entradas digitais. 
0x06 – (Write Single Register) - Altera o estado de uma saída analógica 
0x03 – (Read Holding Registers) – Lê um número variável de saídas analógicas ou memórias 
0x04 – (Read Input Registers) – Lê um número variável de entradas analógicas 
 
A especificação de todos os códigos de função e suas respostas pode ser encontrada em: 
http://www.modbus.org/docs/PI_MBUS_300.pdf 
http://www.modbustools.com/modbus.asp