Redes_Industriais_e_Sist_Supervisorios_4

Prévia do material em texto

Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 
 
25 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
 
 CAPÍTULO 4 
PROTOCOLOS INDUSTRIAIS – PARTE 2 
 
 
 
O Protocolo PROFIBUS 
 
O PROFIBUS (acrônimo de Process Field Bus) é o segundo tipo mais popular de sistema de comunicação em 
rede Fieldbus, ficando atrás somente do protocolo MODBUS, sendo que em 2004 estimava-se que 
existiriam mais de 10 milhões de nós instalados mundialmente. O PROFIBUS é um padrão internacional 
aberto, sendo o principal padrão utilizado na Europa. 
 
Obs.: 
Fieldbus é um termo genérico empregado para descrever tecnologias de comunicação industrial; o termo 
fieldbus abrange muitos diferentes protocolos para redes industriais. 
 
Versões do PROFIBUS: 
 PROFIBUS-DP (Decentrallised Periphery) esse protocolo foi a primeira versão criada. Indicada para 
o chão de fábrica, onde há um volume de informações grande e há a necessidade de uma alta 
velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados num tempo adequado. 
 PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) esta versão é uma evolução do Profibus DP e 
destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram os PLCs). O FMS é tão 
poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial, mesmo que isso não seja 
indicado. 
 PROFIBUS-PA (Process Automation) é a versão mais moderna do Profibus. Uma característica 
interessante deste protocolo é que os dados podem trafegar pela mesma linha física da 
alimentação DC, o que economiza tempo de instalação e cabos e diminui o custo de sua 
instalação. 
 
Existem três tipos de meios físicos de comunicação que podem ser utilizados pelo protocolo Profibus: 
 RS-485 
 Fibra óptica 
 IEC 61158-2 - É um padrão que define regras e particularidades para aplicações em automação de 
processos (Profibus PA), veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. 
Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo 
próprio barramento. A IEC 61158-2 determina que o meio físico do PROFIBUS PA deve ser um par 
de fios trançados. 
 
Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 
 
26 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
Há uma hierarquia inerente ao uso do Profibus, nessa hierarquia podemos identificar três níveis. Em cada 
nível temos versões do PROFIBUS as quais são as mais indicadas: 
 Field Level (Nível de campo ou Chão de Fábrica) -> PROFIBUS-DP e PROFIBUS-PA 
 Nível de Célula (comunicação entre PLCs e controladores) -> PROFIBUS-FMS 
 Nível de Fábrica -> TCP/IP 
 
 
 
O PROFIBUS é um protocolo do tipo mestre-escravo. Os dispositivos mestres determinam a transmissão de 
dados, emitem mensagens sem pedido externo. No PROFIBUS os dispositivos mestres são também 
chamados de estações ativas. 
Os dispositivos escravos podem transmitir somente quando solicitado pelo mestre. No PROFIBUS os 
dispositivos escravos são também chamados de estações passivas. 
 
Protocolo de acesso ao meio no Profibus: 
 
No PROFIBUS a camada 2 (enlace) é chamada Fieldbus Data Link (FDL). O Controle de Acesso ao meio 
(MAC) especifica o procedimento quando uma estação tem a permissão para transmitir dados. O MAC deve 
assegurar que uma única estação tem direito de transmitir dados em um determinado momento. O 
protocolo PROFIBUS foi projetado para atender os dois requisitos básicos do Controle de Acesso ao Meio: 
 
 Durante a comunicação entre sistemas complexos de automação (mestres), deve ser assegurado 
que cada uma destas estações detém tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicação 
dentro de um intervalo definido e preciso de tempo. 
 
Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 
 
27 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
 Por outro lado, a transmissão cíclica de dados em tempo real deverá ser implementada tão rápida 
e simples quanto possível para a comunicação entre um controlador programável complexo e seus 
próprios dispositivos de E/S (escravos). 
 
Portanto, o controle de acesso ao meio do PROFIBUS inclui o procedimento de passagem 
de um token (telegrama ou ficha), que é utilizado pelas estações ativas da rede (mestres) para 
comunicarem entre si, e o procedimento de mestre-escravo que é usado por estações ativas (mestres) 
para se comunicarem com as estações passivas (escravos). 
 
Obs.: 
O token (telegrama ou ficha) nada mais é do que um pacote especial, padronizado pelo PROFIBUS. 
 
O procedimento de passagem do token garante que o direito de acesso ao barramento é 
designado a cada mestre dentro de um intervalo preciso de tempo. A mensagem de token deve ser 
distribuída no anel lógico pelo menos uma vez a todos os mestres dentro de um intervalo de tempo 
máximo denominado tempo de rotação do token. No PROFIBUS o procedimento de passagem de token 
somente é utilizado na comunicação entre estações ativas (mestres). 
 
O procedimento mestre-escravo permite ao mestre que no momento possui o token acessar seus próprios 
escravos. O mestre pode enviar mensagens aos escravos ou ler mensagens dos escravos. 
 
 
 
Perspectivas 
 
De um total de mais de 2000 produtos e serviços disponíveis, os usuários podem, a qualquer momento, 
escolher o melhor produto e com a melhor relação custo-benefício para sua automação. O sucesso do 
PROFIBUS tem sido comprovado em milhares de aplicações, seja na automação da produção, predial ou na 
de processos, promovendo sucessivamente uma alta economia de gastos, um aumento na flexibilidade 
associado à uma maior disponibilidade dos sistemas. Estas são com certeza as principais razões que tem 
levado mais e mais usuários de todo o mundo a decidir em favor do PROFIBUS. 
 
 
 
Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 
 
28 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
O Protocolo CAN 
 
A rede CAN (Controller Area Network) é um sistema de comunicação serial concebida inicialmente para 
aplicações distribuídas de sistemas automotivos. Sua crescente utilização na indústria automotiva foi 
motivada pelos benefícios técnicos e econômicos, o que culminou com sua padronização pela SAE (Society 
of Automotive Engineers) e pela ISO (International Organization for Standardization). Com o sucesso 
obtido nas aplicações automotivas a comunidade da indústria de processo e transformação não hesitou em 
adotá-la também em determinadas aplicações industriais. 
 
Áreas de Aplicação do CAN: 
 
 Veículos (marítimo, aéreo, terrestre) – carros de passeio, off-road, trens, sistema de semáforo 
(trens e carros), eletrônica marítima, máquinas agrícolas, helicópteros, transporte público. 
 Sistema de Controle Industrial – controle de planta, de maquinário, robôs, sistema de supervisão. 
 Automação Predial – controle de elevadores, ar condicionado, iluminação. 
 Aplicações Específicas – sistemas médicos, telescópios, simuladores de voo, satélites artificiais, 
entre outros. 
 
Algumas características do CAN: 
 Acesso à rede baseado em conceito Multi-mestre - todos os módulos podem transmitir uma 
mensagem assim que o barramento estiver livre e vários módulos podem solicitar à rede 
simultaneamente. No momento da transmissão simultânea de vários módulos, o que tiver a mais 
alta prioridade momentânea recebe o direito de acesso à rede; 
 
 Transmissão do tipo Multicast, ou transmissão para todos os módulos ao mesmo tempo. Um filtro é 
aplicado para selecionar as informações importantes para cada módulo; 
 
 Arbitragem do barramento sem perda - Filosofia de acesso ao meio CSMA/BA (Carrier Sense 
Multiple Access with Bit Wise Arbitration) na qual é feita uma análiseda prioridade de 
transmissão. Aquele que tiver prioridade maior continuará enviando a sua mensagem sem 
destruição; 
 
 Taxa de transmissão programável entre 5Kbps a 1Mbps; 
 
 Protocolo Digital e Comunicação Serial Síncrono; 
 
 Detecção de erros; 
 
 Retransmissão Automática de Mensagens Corrompidas. 
 
 
 
Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 
 
29 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
 
Acesso Baseado em Contenção: 
Em uma rede baseada em contenção, não existe ordem de acesso e mais de um dispositivo pode transmitir 
ao mesmo tempo, provocando colisão e, possivelmente, a perda da mensagem. A capacidade de detecção 
e retransmissão da mensagem vai depender do mecanismo adotado pelo dispositivo. 
 
CSMA/CD: 
No método chamado de CSMA (Carrier Sense Multiple Access), quando um dispositivo deseja transmitir 
uma informação, ele “ouve” o meio antes para saber se existe alguma transmissão em andamento. Caso 
durante a escuta não haja, o dispositivo pode transmitir. Caso contrário, ela espera por um tempo 
aleatório e tenta transmitir novamente. A ocorrência de colisão acontece caso dois dispositivos tentem 
transmitir exatamente no mesmo instante. 
O mecanismo CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection) percebe a colisão durante 
a transmissão. Ao transmitir, uma ECU escuta o meio e, ao detectar uma colisão, aborta imediatamente a 
transmissão. O CSMA/CD é o mecanismo utilizado nas redes locais de computadores (Ethernet). 
 
CSMA/BA: 
O controle de acesso ao meio por CSMA/BA (Carrier Sense Multiple Access with Bit Wise Arbitration) é 
semelhante ao CSMA/CD utilizado na Ethernet, com a diferença que, em uma eventual colisão, temos 
prioridades de tempo definidas. Enquanto que no CSMA/CD teríamos uma espera aleatória entre os 
participantes da disputa pelo meio. O CSMA/BA é o mecanismo utilizado nas redes CAN. 
 
CSMA/CA: 
O controle de acesso ao meio por CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) é um 
método de transmissão que possui um grau de ordenação maior que CSMA/CD e possui também mais 
parâmetros restritivos, o que contribui para a redução da ocorrência de colisões em uma rede (máquinas 
interligadas através de uma rede identificam uma colisão quando o nível de sinal aumenta no interior do 
cabo). Antes de transmitir efetivamente um pacote, a estação avisa sobre a transmissão e em quanto 
tempo a mesma irá realizar a tarefa. O CSMA/CA é o mecanismo utilizado em redes sem fio wi-fi. 
 
 
 
Considerando-se fios elétricos como o meio de transmissão dos dados, existem três formas de se constituir 
um barramento CAN, dependentes diretamente da quantidade de fios utilizada. Existem redes baseadas 
em 1, 2 e 4 fios. As redes com 2 e 4 fios trabalham com os sinais de dados CAN_H (CAN High) e CAN_L 
(CAN Low). No caso dos barramentos com 4 fios, além dos sinais de dados, um fio com o VCC 
(alimentação) e outro com o GND (referência) fazem parte do barramento, levando a alimentação às duas 
terminações ativas da rede. As redes com apenas 1 fio têm este, o fio de dados, chamado exclusivamente 
de linha CAN. 
 
 
Prof. André Sarmento Barbosa http://www.andresarmento.com 
 
30 Redes Industriais e Sistemas Supervisórios 
Considerando o CAN fundamentado em 2 e 4 fios, seus condutores elétricos devem ser trançados e não 
blindados. Os dados enviados através da rede devem ser interpretados pela análise da diferença de 
potencial entre os fios CAN_H e CAN_L. Por isso, o barramento CAN é classificado como Par Trançado 
Diferencial. Observe ainda que, assim como no RS-485 o CAN especifica a camada física de forma similar, 
utilizando resistores terminadores de 120 ohms em cada ponta do barramento.