Fieldbus Uma arquitetura para redes industriais Alunos: Gáudio Vinícius Lopes Besch...

FieldbusFieldbusUma arquiteturaUma arquitetura para para

redes industriaisredes industriais

Alunos: Alunos: Gáudio Vinícius Lopes BeschGáudio Vinícius Lopes [email protected]

Vinicius Fernandes de OliveiraVinicius Fernandes de [email protected]

Julho de 2002Julho de 2002

LECA-DCA / PPgEE - Disciplina: Tópicos em redes de computadores ( redes industriais )

ArquiteturasArquiteturasPrincipais características de algumas soluçõesPrincipais características de algumas soluções

O objetivo desse item é mostrar de forma comparativa O objetivo desse item é mostrar de forma comparativa as principais características de algumas soluções em as principais características de algumas soluções em redes redes fieldbusfieldbus..

Rede industrial – alguns Rede industrial – alguns padrõespadrõesVersão beta !

LonWorksLonWorks

MAPMAP

MAPICSMAPICS

M-BUSM-BUS

Modbus PlusModbus Plus

Modbus RTU / ASCII Modbus RTU / ASCII

PCAPCA

P-NETP-NET

PROFIBUS DP / PA / FMSPROFIBUS DP / PA / FMS

ProfinetProfinet

PROWAYPROWAY

SafetyBUSSafetyBUS

SCRAMNetSCRAMNet

SDSSDS

SeriplexSeriplex

WorldFIPWorldFIP

ARCNETARCNET

AS-IAS-I

BITBUSBITBUS

CAN OpenCAN Open

CIM-OSACIM-OSA

ControlNetControlNet

DECOMNIDECOMNI

DeviceNetDeviceNet

EIBEIB

Foundation FieldBus H1Foundation FieldBus H1

Foundation FieldBus HSEFoundation FieldBus HSE

GENIUS I/OGENIUS I/O

HARTHART

IEC / ISA SP50 FieldbusIEC / ISA SP50 Fieldbus

Industrial EthernetIndustrial Ethernet

INTERBUS-SINTERBUS-S

Caldeira

ArquiteturasArquiteturas - Problema - Problema

exemploexemplo V

álvu

la

Pressão

Temper.

Vál

vula

Motor

S1 Nível

S2 Nível

S3 Nível

CargaCargaProcesso Processo contínuocontínuo

Processo Processo contínuocontínuo

Processo Processo discretodiscreto

RS

-232

, RS

-485

,etc

.

ArquiteturasArquiteturas - Convencional ( CP ) - Convencional ( CP )

Caldeira

Vál

vula

Pressão

Temper.V

álvu

la

Motor

S1 Nível

S2 Nível

S3 Nível

Controlador Controlador ProgramávelProgramávelControlador Controlador ProgramávelProgramável

“Físico”:

4-20mA, 0-5V,etc.

“Enlace”: CP faz

ciclo de varredura

“Aplicação” Lóg.

comb., sequencial,

PID, etc.

“Aplicação do usuário”

Programação, monitoração, estatística,

etc.

Arquiteturas Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-InterfaceAS-I - Actuator-Sensor-Interface

Caldeira

Vál

vula

Pressão

Temper.V

álvu

la

Motor

S1 Nível

S2 Nível

S3 Nível

Contr.Progr./ Gateway

Contr.Progr./ Gateway

Mestre AS-IMestre AS-IMestre AS-IMestre AS-I

“Físico” - par de fios, não trançado e sem blindagem, para

sinais e alimentação - codificação Manchester com modulação de corrente (APM) - 167 kbits/seg.,

“Enlace” - Mestre/escravo, ponto a ponto com pooling - ciclo: 5 ms p/ 31 escravos

Escravo Escravo AS-IAS-I

Escravo Escravo AS-IAS-I

Escravo Escravo AS-I ( possui AS-I ( possui

um chip ASIC )um chip ASIC )

“Aplicação” Lóg. comb., seq., PID, etc. ou conversão de protocolo

RS

-485, Pro

fibu

s, Mo

db

us, etc.

RS

-485, Pro

fibu

s, Mo

db

us, etc.

“Aplicação do usuário” Programação, monitoração,

estatística, etc.

Arquiteturas Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-AS-I - Actuator-Sensor-InterfaceInterface

AS-Interface Master - AS-Interface Master - Mini CLP - RS485Mini CLP - RS485

Botoeira AS-Interface Botoeira AS-Interface (escravo)(escravo)

EndereçadorEndereçador

AS-I MasterAS-I MasterMódulo escravoMódulo escravo


• Essencial:Essencial:– Reduz o custo de uma rede no campo diminuindo a Reduz o custo de uma rede no campo diminuindo a

quantidade de fios e simplificando a instalaçãoquantidade de fios e simplificando a instalação

• Princípios básicos:Princípios básicos:– Utiliza Utiliza chipschips ASIC ( ASIC ( AApplication pplication SSpecific pecific IIntegrated ntegrated CCircuit )ircuit )

em sensores/atuadores ASI para ligá-los a redes ASIem sensores/atuadores ASI para ligá-los a redes ASI– Disponibiliza “módulos escravos” (equipamento específico) Disponibiliza “módulos escravos” (equipamento específico)

que permitem o uso de sensores/atuadores convencionaisque permitem o uso de sensores/atuadores convencionais– Possui um “módulo mestre” (placa específica embutida em Possui um “módulo mestre” (placa específica embutida em

um elemento “inteligente”) para gerenciar o acesso ao meioum elemento “inteligente”) para gerenciar o acesso ao meio– O tratamento das informações deverá ser feito por qualquer O tratamento das informações deverá ser feito por qualquer

elemento inteligente ( CP, PC, etc.) que trabalhe em elemento inteligente ( CP, PC, etc.) que trabalhe em conjunto com o “módulo mestre”conjunto com o “módulo mestre”


• Características tecnológicas:Características tecnológicas:

Interligações por cabo de 2 fios de 1,5 mm² sem blindagem para dados e alimentação ou com alimentação separada

Extensão máxima do cabo em segmentos de 100m em um máximo de 500m com repetidor

Permitidas todas as topologias

Na atual versão (2.1) admite-se um máximo de 62 módulos com 248 pontos de entrada e 186 de saída e ciclo de 10 ms na capacidade máxima

Sinais analógicos são processados com eficiência apenas na versão 2.1

ME: Módulo de EntradaMS: Módulo de SaídaA: AtuadorS: Sensor

Não possui soluções para segurança intrínsica

Arquiteturas Arquiteturas AS-I - Actuator-Sensor-InterfaceAS-I - Actuator-Sensor-Interface

• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– A comunicação entre o master e o escravo consiste em um A comunicação entre o master e o escravo consiste em um

chamadochamado do master, uma do master, uma pausapausa, a , a respostaresposta do escravo e do escravo e nova nova pausapausa..

– Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta:Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta:

• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– A comunicação entre o master e o escravo consiste em um A comunicação entre o master e o escravo consiste em um

chamadochamado do master, uma do master, uma pausapausa, a , a respostaresposta do escravo e do escravo e nova nova pausapausa..

– Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta:Quadro compacto obtendo-se um baixo tempo de resposta:


Convencional AS-i Válvula e relés $ 525 $ 555 Conduites e fiação ($8/ft) $ 600 $ 250 I/O Convenc. Gateway AS-i $ 200 $ 100 Alimentação elétrica $ 10 $ 50 Total: $ 1635 $ 950

Exemplo de redução de custos da Exemplo de redução de custos da StoneL CorporationStoneL Corporation::Exemplo de redução de custos da Exemplo de redução de custos da StoneL CorporationStoneL Corporation::

( www.stonel.com )( www.stonel.com ) Redução de 42%Redução de 42%

HART ServerHART Server

Escravo Escravo HARTHART

Arquiteturas Arquiteturas HART - HART - Highway Addressable Remote Highway Addressable Remote TransducerTransducer

Caldeira

Vál

vula

Pressão

Vál

vula

Motor

S1 Nível

S2 Nível

S3 Nível

CPCPCPCP

Temper.

Pro

fibu

s, Mo

db

us, E

thern

et, etc.P

rofib

us, M

od

bu

s, Eth

ernet, etc.

Físico - par trançado para sinais e alimentação - codificação Bell 202 (FSK) sobre 4 a 20 mA - 1200 bps - top. ponto a ponto ou multiponto

Enlace - Mestre/escravo, com pooling ou modo burst

Aplicação Comandos

HART

Aplicação

Comandos HART

“Aplicação do usuário”: Programa, configura, monitora, ou OPC server/client

Enlace

4-20mA

4-20mA + frame

4-2

0m

A

Mestre HART

Mestre HART

Arquiteturas Arquiteturas HART - HART - Highway Addressable Remote TransducerHighway Addressable Remote Transducer

NRF 590 NRF 590 Tank Side Tank Side Monitor da Monitor da

Endress+HauserEndress+Hauser


Transmissor de vazão da ROSEMOUNTTransmissor de vazão da ROSEMOUNT


Comunicador HART Comunicador HART da ROSEMOUNTda ROSEMOUNT


• Essencial:Essencial:– Aproveitar o possível das instalações convencionais e ao Aproveitar o possível das instalações convencionais e ao

mesmo tempo implementar processamento digitalmesmo tempo implementar processamento digital

• Princípios básicos:Princípios básicos:– Introduz um sinal modulado em frequência sobreposto ao Introduz um sinal modulado em frequência sobreposto ao

sinal convencional ( 4 a 20 mA )sinal convencional ( 4 a 20 mA )– Sensores e atuadores HART que possuem circuitos para Sensores e atuadores HART que possuem circuitos para

processar sinais digital e analógicoprocessar sinais digital e analógico– Existe o “módulo mestre” para gerenciar e processar Existe o “módulo mestre” para gerenciar e processar

informaçõesinformações


• Características tecnológicasCaracterísticas tecnológicas– Cabo par trançado, simples ou múltiplo, máximo de 1500m Cabo par trançado, simples ou múltiplo, máximo de 1500m

para 0.51mm de diâmetro, 3000m para 0.81mm; para para 0.51mm de diâmetro, 3000m para 0.81mm; para cabos convencionais 4 a 20 mA, dependerá das perdas. cabos convencionais 4 a 20 mA, dependerá das perdas. Pode ter pontes para fibra ótica.Pode ter pontes para fibra ótica.

– Multiplexador HART: disponibiliza canais para serem Multiplexador HART: disponibiliza canais para serem ligados a segmentos de rede. Máximo de 32 canais, cada ligados a segmentos de rede. Máximo de 32 canais, cada canal com o máximo de 15 equipamentos por multiponto ou canal com o máximo de 15 equipamentos por multiponto ou 1 ponto a ponto.1 ponto a ponto.

– Mestre HART: máximo de 2, normalmente sendo o primário Mestre HART: máximo de 2, normalmente sendo o primário um CP ou um PC e o secundário um um CP ou um PC e o secundário um hand heldhand held para fins para fins de utilização no campode utilização no campo

– Permitido todas as topologiasPermitido todas as topologias– Possui soluções para áreas de segurança intrínsecaPossui soluções para áreas de segurança intrínseca


• Características tecnológicas (continuação)Características tecnológicas (continuação)– Estrutura da mensagem:Estrutura da mensagem:

( sincronizar o sinal )

( mestre->escravo, escravo->mestre, burst, tipo de endereço )

( 1-pooling ou 5-ID único )

( 0-30 universal, 32-126 práticos comuns, 128-253 específicos do equipamento )

( tipo de erro de comunicação, status do comando recebido, status do equipamento )

ArquiteturasArquiteturasModbusModbus

ModBus ServerModBus Server

Escravo Escravo ModBus ModBus RTU / ASCIIRTU / ASCII

Caldeira

Vál

vula

Pressão

Vál

vula

Motor

S1 Nível

S2 Nível

S3 Nível

Mestre ModbusMestre Modbus ( HIM )( HIM )

Mestre ModbusMestre Modbus ( HIM )( HIM )

Temper.

Mo

db

us T

CP

/ IPM

od

bu

s TC

P/ IP

RS232

Bridge ModBusBridge

ModBusRS485

Mo

dB

us P

lus

RS232

Mestre Mestre ModbusModbus (CLP) (CLP)

Mestre Mestre ModbusModbus (CLP) (CLP)

RS485

Ethernet

Físico - RS232 ponto a ponto, RS485 multiponto, par

trançado blindado MB Plus

Enlace - Mestre/escravo para MB RTU / ASCII, HDLC para MB Plus

Aplicação - Comandos e parâmetros ModBus

“Aplicação do usuário”: Programa, configura, monitora


• Essencial:Essencial:– Permite que as redes industriais utilizem padrões e Permite que as redes industriais utilizem padrões e

protocolos amplamente difundidos nas redes comerciaisprotocolos amplamente difundidos nas redes comerciais

• Princípios básicos:Princípios básicos:– Implementa um protocolo no nível 7 deixando para os Implementa um protocolo no nível 7 deixando para os

níveis mais baixos as respectivas implementaçõesníveis mais baixos as respectivas implementações– Planejado para que os níveis mais baixos possam ser os Planejado para que os níveis mais baixos possam ser os

protocolos já consagradosprotocolos já consagrados– Ser aberto para que qualquer fabricante de equipamento Ser aberto para que qualquer fabricante de equipamento

possa desenvolver os seu protocolo “Modbus compatível” possa desenvolver os seu protocolo “Modbus compatível” de acesso ao meiode acesso ao meio


• Características tecnológicas:Características tecnológicas:– Cabeamento, velocidade e limitações são dos respectivos Cabeamento, velocidade e limitações são dos respectivos

padrões existentes ( RS 232 / 422 / 485, Ethernet, etc. )padrões existentes ( RS 232 / 422 / 485, Ethernet, etc. )– Existem “vários” ModBus:Existem “vários” ModBus:

• ModBusModBus simplesmente é o padrão do nível 7 OSI simplesmente é o padrão do nível 7 OSI• ModBus ASCIIModBus ASCII é o padrão para uso com RS232, RS422 e RS485 é o padrão para uso com RS232, RS422 e RS485• ModBus RTUModBus RTU ( Remote Terminal Unit ) é similar ao ASCII, porém ( Remote Terminal Unit ) é similar ao ASCII, porém

com maior densidade de caracteres e intervalos mais curtos com maior densidade de caracteres e intervalos mais curtos • ModBus PlusModBus Plus é um padrão que utiliza HDLC, MAC e LLC ( é um padrão que utiliza HDLC, MAC e LLC ( token token

passing, passing, ponto a ponto )ponto a ponto )• ModBus IIModBus II é um padrão é um padrão token passing,token passing, ponto a ponto com cabo ponto a ponto com cabo

coaxial a 5 Mbpscoaxial a 5 Mbps• ModBus On TCPModBus On TCP é o padrão que utiliza TCP/IP é o padrão que utiliza TCP/IP

– É enorme a quantidade de soluções utilizando É enorme a quantidade de soluções utilizando bridgesbridges, , CPs, I/O, modens, etc. abragendo WANs e LANs.CPs, I/O, modens, etc. abragendo WANs e LANs.

– Não possui soluções para segurança intrínsecaNão possui soluções para segurança intrínseca


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Os “vários” ModBus:Os “vários” ModBus:


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Exemplo de uma arquitetura ModBus:Exemplo de uma arquitetura ModBus:


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Exemplo de utilização da arquitetura ModBus:Exemplo de utilização da arquitetura ModBus:


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Quadro genérico:Quadro genérico:

– Exemplo do quadro para uso com TCP / IPExemplo do quadro para uso com TCP / IP

( Protocol Data Unit )

( Protocol Data Unit )

(Application Data Unit )


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Categoria de códigos de função - 1 byte ( leitura e gravação Categoria de códigos de função - 1 byte ( leitura e gravação

de variáveis e parâmetros de medição e controle, etc. ):de variáveis e parâmetros de medição e controle, etc. ):

Obs: 128 a 255 são reservados Obs: 128 a 255 são reservados para códigos de exceçãopara códigos de exceção

Códigos definidos pelo usuário Códigos definidos pelo usuário não precisam ser aprovados não precisam ser aprovados pelo modbus.org - não existirão pelo modbus.org - não existirão garantias de serem únicos.garantias de serem únicos.


Exemplo de redução de custos da Exemplo de redução de custos da StoneL CorporationStoneL Corporation::

( comparar com AS-Interface )

Arquiteturas Arquiteturas ProfiBusProfiBus - Process Field Bus - Process Field Bus

®

PROCESS FIELD BUS

Escravo Escravo ProfiBusProfiBus

Caldeira

Vál

vula

Pressão

Vál

vula

Motor

S1 Nível

S2 Nível

S3 Nível

Mestre ProfiBus Mestre ProfiBus (CLP)(CLP)

Mestre ProfiBus Mestre ProfiBus (CLP)(CLP)Temper.

Pro

fiBu

s + E

thern

et = P

rofiN

etP

rofiB

us +

Eth

ernet =

Pro

fiNet

RS485

Mestre ProfiBus

(CLP)

Mestre ProfiBus

(CLP)

RS485

RS485

RS485

Ethernet + TCP/IP

Físico - RS485 multiponto

Enlace - Mestre/escravo (token passing) e

mestre/mestre (token ring)

Aplicação - Comandos e parâmetros ProfiBus FMS

“Aplicação do usuário”: Programa, configura, monitora


• Essencial:Essencial:– Promove fácil integração entre os níveis de campo e Promove fácil integração entre os níveis de campo e

controle com um protocolo aberto e com muitos recursos controle com um protocolo aberto e com muitos recursos

• Princípios básicos:Princípios básicos:– Utiliza padrões conhecidos no nível físicoUtiliza padrões conhecidos no nível físico– Introduz novos padrões abertos nas camadas de enlace e Introduz novos padrões abertos nas camadas de enlace e

aplicação, subdividindo os protocolos conforme o objetivoaplicação, subdividindo os protocolos conforme o objetivo– Permite conversão para outros tipos de protocolosPermite conversão para outros tipos de protocolos

®

PROCESS FIELD BUS

Obs:Obs: todas as redes de fato todas as redes de fato fieldbus fieldbus ( HART, ModBus, FF, Profibus, ( HART, ModBus, FF, Profibus, CANOpen, etc. ) possuem benefícios similares, diferenciando mais na CANOpen, etc. ) possuem benefícios similares, diferenciando mais na implementação do que no objetivosimplementação do que no objetivos


• Características tecnológicas:Características tecnológicas:– Transmissão assíncrona, padrão físico RS 485 / Fibra Transmissão assíncrona, padrão físico RS 485 / Fibra

ÓpticaÓptica e IEC 1158-2e IEC 1158-2– Topologia: BarramentoTopologia: Barramento– Velocidade: 9,6 Kbps . . 12 Mbps. Transmite 1 kByte de Velocidade: 9,6 Kbps . . 12 Mbps. Transmite 1 kByte de

E/S em menos que 2 msE/S em menos que 2 ms– Distância: 100 m . . . 1,2 KmDistância: 100 m . . . 1,2 Km– Dispositivos 127 (máximo)Dispositivos 127 (máximo)– Parametrização e diagnóstico remotosParametrização e diagnóstico remotos– Ampla interoperabilidadeAmpla interoperabilidade– Acesso híbrido (Token + Mestre/Escravo)Acesso híbrido (Token + Mestre/Escravo)

• protocolo FDL (FieldBus Data Link): permite mestre/escravo com protocolo FDL (FieldBus Data Link): permite mestre/escravo com token passing,token passing, multi-mestre com multi-mestre com token ringtoken ring, adicionalmente com , adicionalmente com broadcastbroadcast e e multicastmulticast ( nível 2 ) ( nível 2 )

®

PROCESS FIELD BUS


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Protocolo FMS (Fieldbus Message Specification) e LLI Protocolo FMS (Fieldbus Message Specification) e LLI

(Lower Layer Interface)(Lower Layer Interface)– ProfiBus divide-se emProfiBus divide-se em

• ProfiBus FMS, para nível de célula ( controle )ProfiBus FMS, para nível de célula ( controle )

• ProfiBus DP (Decentralized Periphery), para nível de campo:ProfiBus DP (Decentralized Periphery), para nível de campo:– Equipamentos escravosEquipamentos escravos

– DPM1 (DP Master Class 1): controlador central ( CP ou PC )DPM1 (DP Master Class 1): controlador central ( CP ou PC )

– DPM2 (DP Master Class 2): configuração, diagnóstico e DPM2 (DP Master Class 2): configuração, diagnóstico e programação (programação (notebooknotebook, PC), PC)

• ProfiBus PA (Process Automatation), para segurança intrínseca: ProfiBus PA (Process Automatation), para segurança intrínseca: semelhante ao DPsemelhante ao DP

®

PROCESS FIELD BUS


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):

Aplicação do usuárioAplicação do usuárioGrande

diversidade

FAS - Fieldbus Access SublayerLLI - Lower Layer Interface

Foundation FieldbusFoundation FieldbusProfibus DP / FMSProfibus DP / FMSOSIOSI

ANSI / ISA - S50.02 - 1992RS 485 / Fibra Ótica / IEC 1158-2Físico

DLL - Data Link LayerFDL - Fieldbus Data LinkEnlace

( Não há roteamento – número MAC já resolve identificações )Rede

( Mensagens trafegam inteiras – não existem pacotes )Transporte

( Todos os equipamentos estão sempre “on-line” )Sessão

( Nas mensagens não há conversões, encriptações, etc. )Apresentação

FMS - Fieldbus Message SpecificationFMS - Fieldbus Message SpecificationAplicação

®

PROCESS FIELD BUS


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Uma visão geral da comunicação:Uma visão geral da comunicação:

®

PROCESS FIELD BUS


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):– Configuração PROFIBUS com 3 estações ativas (mestres) e 7 estações passivas (escravas). Os 3 mestres

formam um anel lógico de token:

®

PROCESS FIELD BUS


• Características tecnológicas (continuação):Características tecnológicas (continuação):

®

PROCESS FIELD BUS

A parte da aplicação situada no dispositivo de campo A parte da aplicação situada no dispositivo de campo acessado via comunicação é denominada de VFDacessado via comunicação é denominada de VFD

Serviços FMSServiços FMS

Arquiteturas de Arquiteturas de redes industriaisredes industriais

Arquiteturas de Arquiteturas de redes industriaisredes industriais

Um assunto que parece não ter FIM Um assunto que parece não ter FIM

Fieldbus Uma arquitetura para redes industriais Alunos: Gáudio Vinícius Lopes Besch...

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