Estudo Modbus Senai
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SENAI SERVIO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIALFACULDADE DE TECNOLOGIA SENAI JOINVILLE
CURSO DE TECNOLOGIA EM REDES INDUSTRIAIS TARCISIO HELLMANN
ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS PARA APLICAO EM CONTROLE DE DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA INDUSTRIAL
JOINVILLE2008
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TARCSIO HELLMANN
ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS PARA APLICAO EM CONTROLE DE DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA INDUSTRIAL
RELATRIO DE TRABALHO DE CONCLUSO DE CURSO APRESENTADO AO CURSO DE TECNOLOGIA EM REDES INDUSTRIAIS, COMO REQUISITO DE APROVAO, SOB ORIENTAO DO PROFESSOR ORIENTADOR ESPECFICO JLIO RAICIK DO SENAI SC.
JOINVILLE2008
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Dedico este trabalho a minha esposa Marizete da Silva, meu filho Lucas, minhas filhas: Alessandra, Francine, Luana e ao meu irmo Pe. Leonardo Hellmann, por terem me incentivado e apoiado para que eu chegasse at aqui.
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AGRADECIMENTOS
Agradeo, sobretudo, a Deus por me guiar e dar as condies para seguir a
proposta de minha vida.
Aos colegas e professores pelo companheirismo nestes anos de estudo e na
realizao deste trabalho.
Ao SENAI/Joinville, principalmente a sua direo e coordenao.
Em especial, ao meu pai David Hellmann e minha me Adlia Boeing
Hellmann, pelas oraes a mim dedicadas.
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LISTA DE ILUSTRAES
Figura 1 Grfico de demanda medida ......................................................... 11
Figura 2 Grfico de demanda .................................................................... 12
Figura 3 Seqncia de frame sem erro ... 20
Figura 4 Seqncia de frame com erro .... 20
Figura 5 Transmisso protocolos Modbus .. 21
Figura 6 Tipos de protocolos Modbus .... 22
Figura 7 Esquema de ligao do controlador com TC X/5..... 28
Figura 8 Transformador de corrente ... 31
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LISTA DE QUADROS
Quadro 1 Palavra URT .. 15
Quadro 2 Frame Modbus URT ..... 16
Quadro 3 Caractere ASCII ........ 17
Quadro 4 Frame Modbus ASCII ... 18
Quadro 5 Transao entre dispositivos .. 23
Quadro 6 Exemplo de solicitao do mestre.. 23
Quadro 7 Exemplo de resposta do escravo ... 25
Quadro 8 Frame Modbus/TCP ..... 26
Quadro 9 Lista de funes ....................................................................... 33
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LISTA DE SIGLAS, ABREVIATURAS E SMBOLOS
Identificao RefernciaASCII American Standart Code for Information InterchangeCLP Controlador Lgico ProgramvelCR Carriage ReturnCRC Cyclical Redundancy Checking E/S Entrada e SadaFP Fator de PotnciaHDLC High Level Data Link Control HZ HertsIEC Intenational Electrotechnical CommissionIED Instrumentos Eletrnicos Inteligentes IHM Interface Homem MaquinaIP Internet ProtocolKVA Kilo Volt /AmperKVAR Kilo Volt /Amper ReativoKW Kilo WatLRC Longitudinal Redundancy CheckingLSB Least Significant BitMSB Most Significant BitPLC Programmable Logic ControllerRMS (Root Mean Square) volt RMS=pico de teno / raiz
quadrada de 2
RTU Remote Terminal UnitST Structured TextTC Transformador de CorrenteTCP Transmission Control Protocol VCA Volt Corrente Alternada
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RESUMO
Este trabalho apresenta um estudo do protocolo Modbus, e meios necessrios para a instalao de um controlador automtico de demanda de energia eltrica industrial, com acesso remoto aos dados por ele gerado. Apresentam-se vantagens econmicas possveis, com o controle e o conhecimento da realidade sobre a demanda de energia eltrica da sua unidade consumidora.
Palavras-chave: Energia eltrica. Redes industriais. Modbus.
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SUMRIO
INTRODUO................................................................................................... 91 DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA............................................................ 10 1.1 DEMANDA MEDIDA ................................................................................... 10 1.2 DEMANDA CONTRATADA........................................................................... 11 1.3 VANTAGENS DO CONTROLE...................................................................... 122 ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS .......................................................... 14 2.1 VISO GERAL DO PROTOCOLO MODBUS ................................................ 14 2.2 MODO DE TRANSMIO ........................................................................... 14 2.2.1 Transmio RTU .......................................................................... 15 2.2.1 Transmio ASCII ......................................................................... 16 2.3 METODO DE VERIFICAO DE ERRO ...................................................... 18 2.4 VERIFICAO DE PARIDADE.................................................................... 20 2.5 TIPOS DE PROTOCOLO MODBUS............................................................. 21 2.5.1 Modbus padro ............................................................................... 22 2.5.2 Modbus Pluz .................................................................................... 25 2.5.3 Modbus TCP/IP................................................................................. 263 ESTUDO DA CONFIGURAO DO CONTROLADOR DE DEMANDA......... 28 3.1 APRESENTAO ........................................................................................ 29 3.2 PROGRAMAO GERAL...................... ..................................................... 29 3.2.1 Programao de carga ...................................................................... 30 3.2.2 Liberao de Painel ........................................................................... 30 3.2.3 Programao de alarme..................................................................... 304 TRANSFORMADOR DE CORRENTE............................................................. 31 4.1 TIPOS CONSTROTIVOS ............................................................................. 31 4.2 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO ............................................................. 325 PROPOSTA DE IMPLANTAO DE CONTROLE DE DEMANDA............... 33 5.1 PARA INSTALAO DO SISTEMA DE CONTROLE....................................... 33 5.2 PARA SUPERVISO....................................................................................... 34CONCLUSO...................................................................................................... 35REFERNCIAS................................................................................................... 36
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INTRODUO
Este trabalho prope uma soluo automatizada para o controle da demanda
de energia eltrica, com acompanhamento permanente, com possibilidade de
formao de um banco de dados gerao de grficos alm da visualizao de
diversas unidades eltricas em tempo real.
Esta soluo consiste em um primeiro momento comandar parte da carga
instalada com um controlador de demanda, que tem o poder de desativar
determinadas cargas pela ordem previamente programada, sempre que a demanda
atingir o seu limite mximo previsto.
Todos os dados lidos ou gerados, e as aes executadas pelo controlador
ficaro armazenados na memria do mesmo por at 30 dias, que tambm poder
ser acessado por um microcomputador por meio de uma rede industrial.
A rede industrial poder ser pelo meio fsico RS232 ligando o controlador, a
porta serial de um microcomputador munido de um software supervisrio e com a
utilizao do protocolo de comunicao Modbus padro, ou via ethernet com o
protocolo Modbus TCP/IP.
O entendimento do que a demanda de energia, o protocolo de comunicao
Modbus bem como suas variantes, e o equipamento de controle de demanda, sero
objetos de estudo deste trabalho.
Por fim, este trabalho apresenta uma proposta de implantao do controle de
demanda de energia no SENAI Norte em Joinville.
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1 DEMANDA DE ENERGIA ELTRICA
Segundo Miranda (2008), os clculos para formao das tarifas de energia
eltrica para consumidores de tenso igual ou superior a 2,3 kV, os do "Grupo A",
ou seja: Os que compram a energia em mdia a alta tenso, so chamados de
clculos de tarifa binmia. Eles levam em considerao principalmente as duas
unidades de energia: A Mxima Demanda de potncia medida, e a Demanda
Contratada. Alm destas duas unidades o sistema ainda atribui variantes de acordo
com a atividade para a qual a energia se destina (industrial; comercial; pblica; rural;
etc.). A partir da dcada de oitenta, outras variantes como: caractersticas de
mercado em cada regio, hbitos, horrios de ponta (entre 17 e 22 horas), perodo
de seca (entre maio e novembro) foram acrescidas ao clculo.
A demanda serve para dimensionar e pagar a implantao e conservao dos
ativos, materiais e equipamentos, necessrios ao transporte da energia eltrica entre
a distribuidora e a unidade consumidora. A cobrana da demanda determinada
pela demanda contratada, porm se houver ultrapassagem, ser determinada pela
demanda medida.
1.1DEMANDA MEDIDA
O grfico a seguir representa o consumo de energia eltrica de uma
determinada unidade consumidora no perodo de 24 horas, ou seja, a Demanda
medida.
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Figura 1 Grfico de Demanda MedidaFonte: Steuder (2008, p.2)
Pode-se observar neste grfico que o consumo total dirio desta Unidade
consumidora, de 82000 KW/h, o que representa 3416 KW/h em mdia durante as
24 horas. Porm necessita-se de uma infra-estrutura para uma potencia de
5600KW/h, o que representa uma necessidade de 63,9% a mais do que seria a
estrutura necessria para a potncia mdia medida. Este super dimensionamento
necessrio, se reflete em todo o processo; desde a gerao, transformao,
transporte, at a entrega no local do consumo, o que justifica um contrato de
demanda que rateie tais custos entre a unidade consumidora e a concessionria.
1.2 DEMANDA CONTRATADA
Conforme Enersul Energias do Brasil, (2008, p.1):
A unidade consumidora do Grupo A ,dever assinar contrato de fornecimento de energia eltrica fixando o valor, em quilowatts, de sua DEMANDA que poder ser nica ou segmentada por horrio do dia e perodo do ano, conforme a estrutura tarifria em que melhor se enquadrar.
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Observando a figura 1, pode-se observar que a unidade consumidora
enquanto no conhecer a sua realidade, necessitar contratar uma demanda
contnua da ordem de 5600 KW/h, porm com o conhecimento da sua realidade, ele
tem varias opes de economia, seja por ao no processo, desativando deter
minadas cargas entre as 7:00 e 10:00 horas ou transferindo para outros horrios
algumas atividades realizadas neste horrio de pico. De acordo com a citao
anterior, com um controle no sistema de demanda, mais o conhecimento da sua
realidade, o Contrato de Demanda poder ser segmentado.
Outra forma de economia poder ser identificada ao longo do ano
considerando-se o perodo seco ou a sazonalidade do consumo.
Na figura 2, a seguir, tem-se um exemplo hipottico da demanda de energia
eltrica, de uma unidade educacional ao longo de um ano.
Figura 2 Grfico Demanda de Energia
Pode-se observar, na figura 2, que as estaes frias e quentes do ano alem
das frias escolares tem um efeito direto sobre o consumo de energia eltrica.
Sendo assim, pode-se afirmar que: conhecendo a realidade, h uma possibilidade
de economia significativa em se contratar demanda segmentada tambm em relao
ao perodo do ano.
1.3 VANTAGENS DO CONTROLE
Economia direta na demanda medida, com a eliminao dos picos de
consumo excedente ao limite da demanda contratada, conforme representado no
grfico da figura 2. Os dados gerados e aes executadas pelo controlador podero
ser acessados remotamente via rede industrial, com possibilidade de formao de
12
0
200
400
600
800
1000
1200
jan fev mar abr mai jun jul ago set out nov dez
MS
KW
Historico de Consumo Demanda Contratada Novo Contrato
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banco de dados para um conhecimento total da sua realidade. Com o conhecimento
da sua realidade, existe a possibilidade de vantagens econmicas com contratao
da demanda de forma segmentada.
Outra vantagem do sistema com relao a segurana, uma vez que os
dados estaro disponveis remotamente, minimizando a necessidade de acesso a
casa de fora. Vale lembrar que, segundo NR10 a casa de fora rea controlada e
de risco, cujo acesso restrito a pessoas que possuam Habilitao, Qualificao, e
Capacitao para trabalhar com alta tenso.
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2 ESTUDO DO PROTOCOLO MODBUS
Modbus um protocolo com mltiplas utilidades, utilizado na automao
industrial, automao predial, controle de energia, transporte e outras. Neste capitulo
ser analisado em aspectos gerais o protocolo Modbus, os modos de transmisso:
(RTU e o modo ASCII), os mtodos de verificao de erros, a verificao de
paridade, e os trs tipos de protocos Modbus existentes: padro, TCP/IP, pluz.
2.1 VISO GERAL DO PROTOCOLO MODBUS
Martins (2002, p.32) define Modbus:
Modbus um protocolo de comunicao criado na dcada de 1970 pela Modicom (atualmente parte do Grupo Schneider Electric), para atuar em redes industriais entre controladores lgicos, e equipamentos industriais tais como: computadores, IHMs (Interface Homem Mquina), inversores de freqncia, sensores, controladores, etc.
Trata-se de um protocolo aberto, o que faz do Modbus atualmente o protocolo
mais usado em automao industrial. O Modbus empregado na comunicao
mestre-escravo, entre equipamentos inteligentes e sensores e instrumentos.
A simplicidade do protocolo Modbus e a possibilidade de transmisso atravs
de diversos meios fsicos fazem com que este protocolo no se limita ao uso
industrial, sendo tambm largamente usado em automao predial, transporte,
energia, entre outros.
Conforme Silva (2008), a Schneider Electric ajudou a desenvolver uma
organizao chamada MODBUS IDA com a finalidade de fornecer infra-estrutura e
suporte diversos fabricantes de equipamentos de automao, com o objetivo de
torn-los compatveis com o Protocolo Modbus.
2.2 MODO DE TRANSMISSO
Silva e Feldegueira (2008 p.5) comentam que o modo de transmisso
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Modbus, define a forma de mensagem, define cada um dos bits, como so
encapsulados, como os dados so empacotados na mensagem, e como a
mensagem transmitida pela rede.
So dois os modos de transmisso do protocolo Modbus: O modo RTU
(Remoute Terminal Unit) e o modo ASCII (American Standart Code for Information
Interchange) suas semelhanas ou diferenas sero descritas a seguir.
2.2.1 Transmisso RTU
Na comunicao Modbus em RTU, cada byte (8 bits) de mensagem enviado
por 2 caracteres hexadecimal, isto , uma palavra. Conforme demonstrado no
quadro 1 a seguir:
Quadro 1 Palavra RTUFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.5)
Conforme demonstrado no quadro 1, a palavra RTU tem o acrscimo 1 (um)
bit de incio (start),1 (um) bit para controle de paridade e 1 (um) bit de fim (stop).
Assim cada palavra RTU formada da seguinte forma: 1 (um) bit de start + 8 bits
de dados + 1 (um) bit de paridade + 1 (um) bit de stop. Assim cada palavra em
Modbus RTU, tem o tamanho de 11 bits. Assim, cada mensagem deve ser
transmitida numa seqncia de palavras.
A ordem de transmisso dos bits de dados sempre do bit menos
significativo (LSB Least Significant Bit) para o bit mais significativo (MSB Most
Palavra RTU = 11 bitStart Dados paridade stop
1bit 8 bit (um byite) 1 bit 1 bit
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Significant Bit).
O bit de paridade pode ser par (even parity), ou mpar (odd parity), ou tambm
sem paridade (no parity). Porm, todos os equipamentos ligados no barramento ou
rede, devem ter a paridade configurada da mesma forma. Quando no utilizada a
paridade, ento passa a haver 2 stop bits, desta forma a palavra sempre mantm o
tamanho de 11 bits.
Silva e Feldegueira (2008, p.6) definem o Frame Modbus RTU (contedo da
transmisso) da seguinte forma:
Frame Modbus RTUENDEREO FUNO DADOS CRC
1
palavra
1
palavra
De 0 a 252
palavras
2 byte
11 bit 11 bit n x 11 bit 16 bit
Quadro 2 Frame Modbus RTU Fonte: Silva e Feldegueira (2008, p.6)
Conforme demonstrado no quadro 2, para o endereo utilizado um byte (1
palavra). O nmero 0 usado para broadcast, e os nmeros 1 A 247 so usados
para enderear os escravos. O cdigo de funo com um byte (1 palavra)
estabelece a ao a ser efetuada. So utilizados os nmeros 0 a 127 para definir as
funes, e os nmeros 128 a 255 so utilizados para Informe de erros na
transmisso. Nos Bytes de Dados vo as informaes adicionais necessrias, os
endereos de memria, a quantidade de itens transmitidos, e a quantidade de bytes
do campo. O campo CRC (Cyclical Redundancy Checking) , que o ultimo do
frame, realiza a verificao de erro, e no tem o start e stop bit nem a paridade.
Portanto, tem o tamanho de 16 bits.
2.2.2 Transmisso ASCII
Segundo Silva e Feldegueira (2008), a comunicao Modbus em ASCII,
quando em linha srie, cada byte de mensagem enviado como 2 (dois) caracteres
ASCII. Este modo menos eficiente do que o Modbus RTU uma vez que em
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Modbus ASCII cada byte de mensagem necessita de duas palavras, porem sua
vantagem consiste condio de melhor detalhamento das informaes.
De modo geral o Modbus ASCII, apenas utilizado quando o meio fsico ou o
equipamento no permite utilizar o Modbus RTU, ou quando forem necessrios mais
detalhamentos. Como exemplo de aplicao do Modbus ASCII pode-se citar a
comunicao dos CLPs entre si, e com seus Mdulos de expanso. O quadro
abaixo mostra como formado a palavra ASCII:
Quadro 3 Palavra ASCiIFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.6)
A palavra contm um 1 (um) bit de incio (start), 7 bits de dados, 1 (um) bit
para controle de paridade e 1 (um) bit de fim (stop). Assim, cada Palavra ASCII
sempre formada por 10 bits. Os bits de dados so transmitidos do bit menos
significativo (LSB Least Significant Bit) para o bit mais significativo (MSB Most
Significant Bit). O bit de paridade, podem ser par (even parity), ou mpar (odd parity)
ou tambm sem paridade (no parity). Porm, todos os equipamentos ligados no
barramento ou rede, devem ter a paridade configurada da mesma forma. Quando
no utilizada a paridade (no parity) ento passa a haver 2 stop bits, desta forma, a
palavra ASCII sempre mantm o tamanho de 10 bits.
Alm da deteco de erro ao nvel do caractere, na transio em Modbus
ASCII, tambm realizada a deteco de erro ao nvel do frame atravs do
mtodo de LRC (Longitudinal Redundancy Checking). A mensagem (frame) deve ser
transmitida por uma seqncia de caracteres sem interrupo. O incio de um
frame identificado pelo caractere ASCII : (dois pontos pela tabela ASCII = 3A )
Palavra ASCII = 10 bitstar
tDados paridade Stop
1bit 7 bits 1 bit 1 bit
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e o final da frame identificado por dois caracteres ASCII CR e LF (Carriage
Return, Line Feed ), pela tabela ASCII = 0D e 0A).
Todos os caracteres de um frame so enviados em hexadecimais codificados
pela tabela ASCII. Todos os equipamentos monitorizam a linha constantemente de
forma a detectar o caractere de incio de frame :. Normalmente o tempo mximo de
transmisso entre caracteres de 1 (um) segundo. Aps este tempo ser
interpretado como erro de transmisso, porm o usurio poder configurar diferentes
tempos. Um frame em Modbus ASCII constitudo da seguinte forma:
FRAME MODBUS ASCIIINCIO ENDEREO FUNO DADOS LCR FIM
1 palavra 2 palavras 2 palavras De 0 a 252 2 byte 2 palavras
10 bits 20 bits 20 bits N x 20 bits 16 bits 20 bits
Quadro 04 - Frame Modbus ASCIIFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.6)
Conforme observado: Incio (Start): 1 (um) caractere (10 bits); Endereo
(Address field): 2 caracteres (20 bits); Funo (Function code): 2 caracteres (20 bits);
Dados (Data): de 0 (zero) at 2x252 caracteres (cada caractere tem 10 bits); LRC: 2
caracteres (16 bits); Fim (End): 2 caracteres, CR + LF (20 bits).
2.3 MTODO DE VERIFICAO DE ERRO
Conforme a verificao de erro em cada bit pela paridade opcional, porem
a verificao de erro pelo mtodo LRC ou CRC sobre a mensagem obrigatria.
O LRC descarta apenas os bits de incio e os bits de fim da mensagem e faz a
verificao em todo restante do frame. O CRC descarta os bits de incio paridade e
fim de cada byte. Tanto na CRC quanto na LRC a verificao de erro feita a nvel
de equipamento. O equipamento receptor calcula a paridade e o CRC ou LRC e
compara com os valores no frame recebida. Se houver diferenas a frame
descartada. Neste caso o receptor no envia qualquer resposta. Logo, aps um
tempo determinado, o emissor no recebendo resposta, gera um erro.
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Qualquer mensagem que no chegue a determinado receptor tambm no
ser respondida. Desta forma, aps um tempo determinado, o emissor no
recebendo resposta, gera um erro. A nica situao em que o emissor (mestre)
recebe uma resposta de erro acontece quando o receptor (escravo) no consegue
executar a tarefa solicitada. Nesta situao o escravo responde ao mestre com um
cdigo pr-estabelecido conforme tipo de erro detectado.
Do ponto de vista de Martins (2002 p.33), o algoritmo utilizado para clculo do
CRC, na linguagem ST (Structured Text) baseado na norma IEC 61131 conforme
exemplo a seguir:
CRC_OK:=FALSE;
IF GERAL_CRC THEN
CRC=WORD#16#FFFF;
FORi:=1TO NUM_BYTES BY 1 DO
RESULT:=CRC AND WORD#16#1;
IF WORD_TO_BOOL(RESULT) THEN
CRC:= SHR_WORD(CRC,1);
CRC:= CRC XOR WORD#16#A001;
ELSE
CRC:=SHR_WORD(CRC,1);
END_IF;
END_FOR;
CRC_LOW:=WORD_TO_BYTE (CRC ANDWORD#16#00FF);
FLAG_CRC:=CRCAND WORD#16#FF00;
CRC_HIGH:=WORD_TO_BYTE (SHR_WORD(FLAG_CRC,8));
CRC_OK:=TRUE;
END_IF;
Silva e Feldegueira (2008) afirmam que, na verificao de erro ao nvel do frame, uma determinada mensagem (frame) deve ser transmitida por uma seqncia de palavras ou caractere sem interrupo, e entre cada frame deve haver uma
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interrupo (silncio na linha) de pelo menos 3,5 vezes o tempo de um caractere . A figura 3 ilustra a afirmao:
Figura 3 Seqncia de frame sem errosFonte: Adaptado de Silva e Feldegueira (2008, p.5)
Caso a frame ainda no tenha sido totalmente recebida e seja detectado um
silncio na linha superior a 1,5 vezes o tempo de um caractere ou palavra, ento a
mensagem descartada como erro.
Figura 4 - Seqncia de frame com erroFonte: Silva e Feldegueira (2008, p.5)
Em Modbus RTU, a verificao de erros no frame com o mtodo CRC,
sempre realizada; mesmo que no esteja implementada a verificao de paridade
(no parity). Em Modbus ASCII, a verificao de erros no frame com o mtodo LRC,
realizada em toda a frame exceto nos caracteres de incio e fim; mesmo que no
esteja implementada a verificao de paridade (no parity).
2.4 VERIFICAO DE PARIDADE
Conforme mencionado no item 1.3, esta verificao realizada ao nvel da
palavra em Modbus RTU e em Modbus ASCII. Porm opcional, portanto o
utilizador pode configurar 3 tipos de paridade: sem paridade (no parity), par (even),
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ou mpar (odd); Quando o utilizador faz uma configurao sem verificao de
paridade (no parity), este bit substitudo por 1 (um) bit stop adicional para que a
palavra em Modbus RTU mantenha sempre 11 bits e o caracter em Modbus ASCII
mantenha 10 bits.
2.5 TIPOS DE PROTOCOLO MODBUS
Segundo Silva (2008), para atender a varios nveis de aplicao, e a todos os
usurios e fornecedores de dispositivos de automao, a Modbus IDA (organizao
de usurios e desenvolvedores independentes), mantem trez tipos de Protocolo
Modbus: Modbus Padro; Modbus Plus e Modbus TCP/IP.
O protocolo Modbus um protocolo da camada 7 do modelo OSI e
transmitido pelos meios fsicos conforme figura a seguir:
Figura 5 Transmisso protocolos ModbusFonte: Silva (2008, p.3)
Os protocolos Padro e Pluz so deterministicos e so transmitidos de forma
serial entre o mestre e seus escravos, pelos meios fsicos RS232 e RS485. No
Modbus TCP/IP, o Modbus Padro encapsulado em pacote TCP/IP conforme
demonstrao da figura a cima, e no deterministico pois utiliza como meio fsico a
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rede Ethernet. Na figura 6, a seguir, temos alguns exemplos de aplicao dos
diversos tipos de Protocolo Modbus:
Figura 6 Tipos de aplicao dos protocolos Modbus Fonte: Silva (2008, p.2)
Protocolo Modbus TCP/IP usado entre CLP e microcomputador com supervisrio, pela rede ethernet. O protocolo Modbus Pluz usado para
comunicao entre si de CLPs, e mdulos de E/S, chaves de partida eletrnica de
motores, interfaces homem mquina etc.. O Modbus Padro usado para comunicao dos CLPs com os dispositivos de entrada e sada de dados,
instrumentos eletrnicos inteligentes (IEDs) como rels de proteo, controladores
de processo, atuadores de vlvulas, transdutores de energia e etc.
2.5.1 Modbus padro
Silva e Feldegueira (2008, p.7) explicam que o protocolo Modbus Padro,
transmite tanto em modo URT quanto em Modo ASCII. Os meios fsicos utilizados
pelo protocolo so Ponto a Ponto com RS-232, em distncia mxima de at 20
metros, ou Barramento Multiponto com RS-485, podendo ter comprimento at mais
de 1000 metros, porem deve ser levado em considerao o tipo de cabo; pois o
cabo que determina o comprimento mximo do barramento. O baud rate (taxa de
transmisso) tambm dependente da distancia dos equipamentos e do tipo de
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cabo utilizado.
Segundo Silva (2008 p.2), o Modbus Padro usado para comunicao dos CLPs com os dispositivos de entrada e sada de dados, IEDs (Instrumentos
Eletrnicos Inteligentes) como rels de proteo, controladores de processo,
atuadores de vlvulas, transdutores de energia e etc. O controle de acesso ao meio
determinado durante a comunicao pelo protocolo mestre escravo, quando ele
define: (a) como o dispositivo conhecer seu endereo; (b) como reconhecer uma
mensagem endereada para ele; (c) como determinar o tipo de ao a ser tomada e
(d) como extrair o dado ou outra informao qualquer contida na mensagem. Se
uma resposta necessria, como o dispositivo construir uma mensagem e a envia.
O mestre pode enderear mensagens para um escravo individual ou enviar mensagens para todos (broadcast). Os escravos retornam uma mensagem somente
para as consultas endereadas especificamente para ele. As mensagens broadcast
no geram respostas.
O quadro 5 representa as Transaes entre dispositivos:
Quadro 5 Transao entre dispositivos
Fonte: Silva (2008 p.5)
Para Silva (2008 p.5), na mensagem de solicitao do mestre, o cdigo de
funo informa ao dispositivo escravo com o respectivo endereo, qual a ao a ser
executada. Os bytes de dados contm informaes para o escravo, por exemplo,
qual o registrador inicial e a quantidade de registros a serem lidos. O campo de
verificao de erro permite ao escravo validar os dados recebidos.
No quadro 6, apresenta-se um exemplo da solicitao de um mestre para um
escravo em ASCII E RTU:
Nome do Campo Exemplo(HEX) ASCII RTUCabealho Nenhum
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Endereo 06 0 6 0000 0110Cdigo da Funo 03 0 3 000 0011End. Inicial HI 00 0 0 0000 0000End. Inicial LO 6B 6 B 0110 1011N Registros HI 00 0 0 0000 0000N Registros LO 00 0 0 0000 0000Verificao de erro LRC (2) CRC(2)Trailer LR CF NenhumTotal de Bytes 17 8
Quadro 6 Exemplo de solicitao do mestre
Fonte: Silva (2008, p.9)
No quadro 6, o mestre solicita uma leitura dos registradores 40108 a 40110
do elemento escravo 06. A mensagem especifica o endereo inicial como 0107
(006B h). Nesta solicitao, o primeiro registro o 40001, mas endereado como
0. Portanto se precisamos da informao do endereo 40108, devemos
endere-lo como 107, que transformado em hexadecimal ser 6B. Os
registradores utilizam 16 bits para codificar a informao. Estes 16 bits so enviados
em dois bytes separados, byte mais significativo e byte menos significativo (HIGH
BYTE e LOW BYTE).
No quadro 7, a seguir, tem-se um exemplo de resposta do escravo ao mestre:
Nome do Campo Exemplo(HEX) ASCII RTUCabealho NenhumEndereo 06 0 6 0000 0110Cdigo da Funo 03 0 3 000 0011Quantidade de bytes 06 0 6 0000 0110Dado HI 02 0 2 0000 0010Dado LO 2B 2 B 0010 1011Dado HI 00 0 0 0000 0000Dado LO 00 0 0 0000 0000Dado HI 00 0 0 0000 0000Dado LO 63 6 3 0110 0011Verificao de erro LRC (2) CRC(2)Trailer LR CF NenhumTotal de Bytes 23 11
Quadro 7 Exemplo de resposta do escravo
Fonte: Silva (2008 p.10)
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Na mensagem de resposta, o cdigo de funo repetido de volta para o
mestre. Os bytes de dados contm os dados coletados pelo escravo ou o seu
estado. Se um erro ocorre, o cdigo de funo modificado para indicar que a
resposta uma resposta de erro e os bytes de dados contm um cdigo que
descrever o erro. A verificao de erro permite, ao mestre, validar os dados
recebidos. (SILVA, 2008, p.8). O escravo repete o cdigo da funo indicando uma
resposta normal, e a quantidade de bytes especifica quantos itens esto sendo
retornados.
Cabe esclarecer que o valor 63h enviado como um byte no modo RTU (0110 0011). O mesmo valor enviado no modo ASCII necessita de dois bytes, mas so contabilizados como apenas um. 6 (011 0110) e 3 (011 0011).
A resposta indica que os dados do Registro 40108 em hexadecimal 02 2B
que em decimal = 555; os dados do registro 40109 so: 00 00h; e que os dados
do registro 40110 indicam a resposta 00 63h, que em decimal significa 99.
2.5.2 Modbus Pluz
Conforme Silva (2008), esta verso de Modbus no um protocolo aberto, ainda
est sob domnio da Schneider Elctric, e preciso obter a licena do fabricante
para implantar este protocolo. Ele possui vrios recursos adicionais de roteamento,
diagnstico, endereamento e consistncia de dados. O meio fsico o RS-485 com
taxas de transmisso de 1 Mbps, controle de acesso ao meio por HDLC (High Level
Data Link Control), e transmitido apenas em RTU.
2.5.3 Modbus TCP/IP
Conforme Silva (2008), a finalidade de tornar a comunicao entre os
dispositivos de comandos e controles mais versteis, e para possibilitar a
comunicao com sistemas de superviso e controladores lgicos programveis, foi
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desenvolvido em 1999, o Modbus/TCP. Foi o primeiro protocolo aberto a utilizar o
TCP/IP sobre ethernet.
Nesta verso, os dados do Modbus padro so encapsulados em formato
binrio em frames TCP, para a utilizao do meio fsico Ethernet (IEEE 802.3),
conforme demonstra o quadro abaixo, e o meio de acesso o CSMA-CD (Prprio da
rede Ethernet).
Quadro 8 Frame Modbus/TCP
Fonte: Silva (2008 p.11)
Na verso Modbus/TCP no h distino entre mestre e escravo, pois
qualquer n com uma porta TCP pode acessar qualquer outro n, possibilitando a
comunicao ponto-a-ponto entre os diversos dispositivos.A estrutura bsica da mensagem original do Modbus, no modificada.
Porem h diferenas na interpretao do endereo e na verificao de erro. No
endereamento, o campo do endereo do escravo foi substitudo por um nico byte
chamado de Identificador nico, que pode ser usado para comunicao via
dispositivos como gateways e briges que usam um nico endereo IP para integrar
vrios dispositivos. E na verificao de erros so usados os mecanismos j
existentes no TCP/IP e no protocolo Ethernet. Desta forma, o campo CRC no
utilizado. Uma das vantagens desta verso consiste na comunicao remota via
estrutura das redes corporativas e pela Internet. Porm, o que uma vantagem
pode tambm ser um risco, com os acessos no desejados, caso as devidas
precaues, no sejam tomadas. Outros servios adicionais so possveis desde
que determinados equipamentos estejam ligados rede internet como: servio de e-
mail, com aviso de alarme; acesso a uma base de dados; possibilidade de existir
vrios pontos de monitorizao atravs de computadores com supervisrios; ente
outros.
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3 ESTUDO DA CONFIGURAO DO CONTROLADOR DE DEMANDA.
So vrios os fabricantes de equipamentos de controle de demanda, porm,
neste trabalho, focou-se o ST 8500C da Sultch Sistemas Eletrnicos Ltda. Por j ser
existente nas dependncias do SENAI, e sobre o qual apresentar-se-, no Captulo
5, uma proposta de implantao de um sistema de controle de demanda com
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sistema de superviso.
Neste capitulo ser analisado em aspectos gerais o controlador, a sua forma
de ligao, suas formas de controle, a medio das demais unidades eltricas, a
forma de programar, outros recursos como: restrio ao acesso a programao, e
alarmes.
3.1 APRESENTAO
Conforme o Manual de Operao do controlador de demanda ST8500C da
Sultech Sistemas Eletrnicos Ltda., o controlador um equipamento que recebe
informaes da potncia da carga de forma contnua atravs da interface serial de
usurio, pto-acoplado, padronizado pela ABNT atravs da norma NBR14.522,
disponvel em Medidores Eletrnicos de Potncia, ou atravs da conexo ao
barramento eltrico, com uso de transformadores de corrente (TC X/5), e sinais de
tenso. E, desta forma, calcula a demanda de energia eltrica.
Na figura a seguir, o esquema de ligao multifilar com TC X/5.
Figuras 7 Esquema de ligao
Fonte: Sultec. Manual de instalao e operao ST8500C (2008 p.3)
A figura 7 mostra o esquema de ligao multifilar da tomada de sinal para
medio de diversas unidades eltricas, e a forma de ligao dos transformadores
de corrente, a conexo DB9 para interface serial RS232, e os conectores de sada
para os comandos das cargas controladas, e sada de alarmes.
No controle da demanda de energia, sempre que a demanda de energia
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superar o limite programado, o controlador desativa uma ou mais cargas,
assegurando assim o respeito aos limites do fator de demanda programado. Da
mesma forma, toda vez que a demanda de energia fica abaixo do limite programado,
o controlador torna a ativar uma ou mais cargas. E para evitar que cargas sejam
ativadas e desativadas rapidamente pondo em risco os equipamentos eltricos, o
controlador possui um tempo de repouso aps cada manobra. O controlador
tambm permite programa de acionamento e desligamento com lgica inversa, isto
, desligando a sada do controlador para cargas ativas, evitando parada por pane
do controle.
O controlador tambm mede, fornece e armazena de 5 em 5 minutos, por 30
dias, as seguintes Medidas Eltricas:
Tenso RMS (VCA)
Corrente RMS ( A )
Potncia Ativa ( kVA)
Fator kVAR
Demanda ativa mdia ( KW )
Set-point de Demanda
Demanda Reativa Lida KVAr
Fator de carga
Consumo Ativo
Alta Tenso [se TP>1] (VCA)
Freqncia (HZ)
Potncia reativa (kVAr) **
Fator de Potncia **
kVAr excedente (kVAr) **
Demanda Ativa Projetada (KW) **
Potncia Acionada **
Demanda Reat. Projetada KVAr**
Fator de Demanda Consumo ReativoQuadro 9 Lista de funes
Fonte: Sultec. Manual de instalao e operao st8500c (2008 p.3)
3.2 PROGRAMAO GERAL
Com relao ao controle de demanda, so programveis os seguintes itens:
Demanda Contratada Ms XX Ponta; Demanda Contratada Ms XX Fora Ponta:
Potncia Instalada; Incio e final do Perodo Seco; Incio e final do horrio; Valor
TC e Valor TP; Endereo Modbus ; Baud Rate; e Modo de Acionamento.
3.2.1 Programao de cargas
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O usurio pode realizar a programao do nmero de cargas; o modo de
controle das cargas por demanda, ou horrio; o valor mximo de kW (Kilo Wat)
inserido a cada acionamento; o tempo entre acionamentos; o tempo de
desacionamento; o tempo de repouso para cada carga; os valores individuais (em
kW); o modo de controle por demanda projetada, ou por horrio (e neste caso,
horrio de desligamento e horrio de ligao).
3.2.2 Liberao do painel
Para evitar que pessoas no-autorizadas alterem os parmetros do
controlador ST8500C, o software do equipamento conta com uma codificao para a
liberao da programao. Para liberar o painel pressione as teclas ENTER e ESC
simultaneamente. A mensagem Prog Liberada ser exibida no display. Se o
teclado no for pressionado em 30 segundos, a programao ser bloqueada
novamente. A mensagem Prog no Autor aparecer toda vez que o usurio tentar
alterar um parmetro sem ter executado o procedimento de liberao.
3.2.3 Programao de Alarme
Conforme vem detalhado passo a passo no Manual de operao, o equipamento
ainda poder ser programado para emitir sinal de alarme para os seguintes eventos:
Fator de potencia Indutivo; Fator de potncia Capacitivo; Tenso Alta; Sub Tenso;
e Demanda Ativa.
4 TRANSFORMADOR DE CORRENTE
Conforme mencionado em 3.1, transformadores de corrente (TC X/5), so
instalados no barramento do quadro geral de distribuio de energia, do qual provem
a informao utilizada pelo controlador para o calculo da Demanda da unidade
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consumidora.
Simone (2001) define um transformador de corrente, ou simplesmente TC,
como um dispositivo que transforma a corrente que circula em um enrolamento
primrio, atravs de um acoplamento magntico, em uma corrente induzida no
secundrio. Os transformadores de corrente, tambm chamados de transformadores
de instrumentos, utilizados em aplicaes de alta tenso, tm a funo de fornecer
correntes proporcionais s medidas no circuito primrio de potncia, mas
suficientemente reduzidas e isoladas de forma a possibilitar a medio por
equipamentos de proteo e medio.
4.1 TIPOS CONSTRUTIVOS
So sete os tipos de transformadores de corrente, os quais so classificados
de acordo com o modelo de enrolamento do primrio. Porm, este trabalho vai se
ater apenas ao do tipo janela, conforme figura 8.
Figura 8 Transformador de corrente
Fonte: Elab Ltda. (2008)
O enrolamento primrio para este tipo de transformador o prprio condutor
da energia que passa pelo furo, e cuja corrente se pretende quantificar.
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4.2 PRINCPIO DE FUNCIONAMENTO
Conforme Miranda (2008), o funcionamento do transformador explicado
atravs da Lei de Faraday da Induo Eletromagntica (LFIEM), a qual diz que,
quando um circuito atravessado por uma corrente varivel, produzido um campo
magntico. E, quando um circuito atravessado por um campo magntico varivel,
gerada uma corrente eltrica nesse circuito. Sendo assim, a corrente eltrica do
condutor que atravessa o furo do transformador gera um campo magntico, o qual,
por sua vez, gera um campo eltrico no circuito secundrio. A corrente do circuito
secundrio proporcional a corrente do circuito primrio, e esta proporo igual a
proporo inversa do nmero de espiras dos dois circuitos. Ou seja: I1 / I2 = N2 / N1. ou N1 X I1 = N2 X I2 .
5 PROPOSTA DE IMPLANTAO DO CONTROLADOR DE DEMANDA DE ENERGIA
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Conforme foi visto na seo 1.2 deste trabalho, a demanda poder ser
contratada de forma segmentada, assim como foi visto, na seo 1.3, que picos de
excessos de demanda podero ser controlados. Ento, pode-se afirmar que,
conforme exemplo acima, existe a possibilidade de economia direta no consumo de
energia, alm de obterem-se vantagens econmicas na renegociao do contrato,
desde que os dados estejam disponveis e sejam confiveis para esta tomada de
deciso.
Para tanto, necessrio que um controlador seja instalado, bem como que
seus dados sejam coletados em funo de um tempo para que a realidade seja
conhecida e, por conseqncia, os pontos de ganhos sejam identificados, como
tambm o ganho real seja quantificado.
5.1 PARA INSTALAO DO SISTEMA DE CONTROLE
Conforme j mencionado em 3.1, para a instalao de um sistema de controle
de demanda, TCs devero ser instalados nos condutores ou nos barramentos do
painel geral da casa de fora, cujas correntes dos circuitos secundrios sero
interpretadas pelo controlador de demanda. O controlador, por sua vez, controlara
uma srie de cargas previamente selecionadas conforme ordem programada.
Para o caso especfico do SENAI norte, existe a possibilidade de se implantar
um controle automatizado em todos os 42 Condicionadores de Ar do bloco C, a um
custo relativamente baixo por se encontrarem de forma concentrada em um nico
prdio.
5.2 PARA SUPERVISO
Com o auxlio de um micro computador, munido de um software supervisrio,
E memria de 64Mb; drive CD-ROM; interface serial RS-232 disponvel; vdeo VGA; sistema operacional Windows 98, Windows ME ou Windows XP, conectado via rede
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industrial pelo meio fsico RS232 ao controlador de demanda, e utilizando-se do
protocolo Modbus padro, ou via ethernet utilizando-se Modbus TCP/IP, o
gerenciador, poder visualizar em tempo real o status do sistema, supervisionar on-
line a medio, alm de poder formar um banco de dados, gerar grficos e
relatrios. A Sultech oferece, para uso conjunto com os controladores ST8500C, o software ST-Power. Com este, o funcionamento do controlador poder ser maximizado nos seguintes aspectos: auxlio na instalao do equipamento; facilidade na programao; gerenciamento de dados, com a gerao de relatrios e grficos a partir dos dados armazenados pelo controlador; superviso on-line de medio. Os controladores ST8500C tm memria para armazenar 30 dias de registros de todos os parmetros lidos, com intervalo de 5 minutos entre os registros. Estes registros podem ser transferidos para um microcomputador, onde o software ST-Power formar um banco de dados e poder gerar grficos e relatrios de dados.
CONCLUSO
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Considerando os estudos realizados sobre a medida de demanda, usando o
protocolo Modbus em rede industrial para controle a distncia, bem como a pesquisa
realizada sobre o funcionamento do prprio equipamento para o controle de
demanda, pode-se afirmar que a proposta aplicvel, pois se trata de tecnologia j
conhecida, e que j vem embarcado na maioria dos equipamentos de controle das
empresas que compem o grupo Modbus IDA.
Com um controle de demanda instalado e seus dados monitorados e
armazenados, podem-se traar grficos que permitiro ao administrador visualizar a
real demanda de energia eltrica da sua unidade consumidora. E somente com o
conhecimento da realidade, ser possvel identificar e quantificar os ganhos
financeiros reais possveis, seja por meio de ao direta sobre os picos de
demanda, ou por segmentao do contrato de demanda, por horrios do dia, ou por
perodos do ano.
Por fim, h de se ressaltar que alem da possibilidade de ganhos financeiros,
existe a formao de um histrico com dados confiveis, alem do ganho real em
segurana.
REFERNCIAS
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