Monografia - Redes Industriais Fieldbus

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  • LEONARDO SILVA COSTA

    VINICIUS MARQUES DE LIMA

    REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS

    UNIVERSIDADE CATLICA DE SANTOS

    SANTOS 2010

  • LEONARDO SILVA COSTA

    VINICIUS MARQUES DE LIMA

    REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS

    Trabalho de Concluso de Curso

    apresentado Universidade Catlica

    de Santos como parte dos requisitos

    para obteno do ttulo de Bacharel

    em Engenharia Eltrica Modalidades

    Computao e Telecomunicaes.

    Orientador: Prof. Eng. Alexandre

    Manioba de Oliveira

    SANTOS 2010

  • LEONARDO SILVA COSTA

    VINICIUS MARQUES DE LIMA

    REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS

    Trabalho de Concluso de Curso

    apresentado Universidade Catlica

    de Santos como parte dos requisitos

    para obteno do ttulo de Bacharel

    em Engenharia Eltrica Modalidades

    Computao e Telecomunicaes.

    Santos, 22 de novembro de 2010.

    Banca Examinadora: _ . - Presidente da Banca Prof. Eng. Alexandre M. de Oliveira Professor Titular UNISANTOS-SP

  • Dedicamos este trabalho aos nossos

    pais, por todo o amor e por dar-nos a

    oportunidade de cursarmos um

    Ensino Superior. Aos nossos

    familiares, namorada (Leonardo) e

    amigos, por todo o apoio,

    companheirismo e compreenso.

  • AGRADECIMENTOS

    Deus, por nos abenoar a cada dia dando sade e fora para

    continuar nas batalhas de todos os dias.

    s nossas famlias e amigos, por toda fora, incentivo e compreenso.

    Ao nosso orientador Prof. Eng. Alexandre Manioba de Oliveira, por

    toda pacincia, empenho, companheirismo e, acima de tudo, generosidade em

    compartilhar seus conhecimentos conosco.

    Ao Prof. Me. Jos Fontebasso Neto e Prof. Dra. Maria Aparecida dos

    Santos Accioly, pela disponibilidade e solicitude para serem membros de nossa

    banca de avaliao.

    Universidade Catlica de Santos, em especial todo corpo docente

    do Centro de Cincias Exatas e Tecnolgicas do Campus Dom Idlio Jos

    Soares, ao coordenador do Curso de Engenharia Eltrica, Prof. Luis Fernando

    Bueno Mau, a todos nosso muito obrigado.

    Ao Sr. Nilson Magalhes Bueno, ao Sr. Rogrio da Costa Gio e ao Sr.

    Sidney Pereira Martins, funcionrios da indstria Usinas Siderrgicas de Minas

    Gerais S.A - USIMINAS, e ao suporte tcnico da empresa Altus Sistemas de

    Informtica S.A., pelo apoio prestado durante a realizao do teste prtico.

  • Ningum pode descobrir novas terras

    se no aceitar perder durante muito

    tempo a viso da costa.

    Andr Gide.

  • RESUMO

    SILVA, Leonardo e MARQUES, Vinicius. Redes Industriais Fieldbus;

    Prof. Orientador: Eng. Alexandre Manioba de Oliveira; Santos: UNISANTOS,

    2010, 161 fl., Trabalho de Graduao em Engenharia.

    O presente trabalho apresenta a necessidade de se realizar o controle

    das atividades fabris atravs de um sistema computacional, para tanto

    abordado de forma conceitual o estudo da tecnologia Fieldbus. Temos como

    objetivos realizar um estudo sobre as caractersticas, arquiteturas e estrutura

    das redes industriais Fieldbus, alm dos principais protocolos e sistemas

    digitais de controle distribudo (SDCD) atuais. Tal estudo apresentado

    baseado em um teste prtico realizado em bancada utilizando equipamentos

    de controle industrial que se comunicam utilizando o protocolo Profibus.

    PALAVRAS-CHAVES:

    Fieldbus, redes industriais, sistema computacional, protocolo.

  • ABSTRACT

    SILVA, Leonardo e MARQUES, Vinicius. Industrial Fieldbus Networks;

    Advisor: Engineer Alexandre Manioba de Oliveira; Santos: UNISANTOS,

    2010, 161 pages, Undergraduation Monography in Engineering.

    This paper presents the need to make the control of manufacturing

    activities through a computer system, for this is addressed in the conceptual

    study of Fieldbus technology. We aim to conduct a study on the characteristics,

    architecture and structure of industrial Fieldbus networks, beyond the major

    protocols and digital distributed control systems (DCS) today. This study is

    presented based on a practical test carried out on a bench using industrial

    control equipment that communicate using the Profibus protocol.

    KEYWORDS:

    Fieldbus, industrial networks, computer system, protocol.

  • LISTA DE FIGURAS

    Figura 1 - Sistema tradicional com Controlador Lgico Programvel (LUGLI e

    SANTOS, 2009). ............................................................................................... 29

    Figura 2 - Sistema com barramento de campo (LUGLI e SANTOS, 2009). ...... 30

    Figura 3 - Pirmide da Automao (GOEKING, 2010)...................................... 38

    Figura 4 - Ilustrao das formas de energia de um sensor (THOMAZINI e

    ALBUQUERQUE, 2009). .................................................................................. 41

    Figura 5 - Ilustrao da variao de uma grandeza fsica de um sensor de

    temperatura analgico (THOMAZINI, et. al., 2009). .......................................... 41

    Figura 6 - Ilustrao da leitura da posio de um objeto por um encoder

    incremental (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009). ...................................... 43

    Figura 7 - Estrutura Bsica de um CLP (PRODENGE UERJ, 2007).............. 45

    Figura 8 - Ciclo de processamento dos CLPs (PRODENGE UERJ, 2007). ... 46

    Figura 9 - Diagrama das partes constantes em um CLP (ANTONELLI, 1998). 47

    Figura 10 - CLP da marca Rockwell (INTERENG, 2010). ................................. 47

    Figura 11 - Camadas do Modelo OSI (SMAR, 2010). ....................................... 50

    Figura 12 - Hierarquia da planta da rede de trabalho (SMAR, 2006). ............... 53

    Figura 13 - Barramento de campo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005). ............... 54

    Figura 14 - Controle centralizado (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005). ................. 56

    Figura 15 - Sistema de controle distribudo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005). . 58

    Figura 16 - Controle em malha aberta (BUENO, [199-]). .................................. 63

    Figura 17 - Controle em malha fechada (BUENO, [199-])................................. 64

    Figura 18 - Diagrama do ciclo de varredura (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005). 65

  • Figura 19 - Conectores padro RS-232: DB-25 e DB-9 (ALBUQUERQUE e

    ALEXANDRIA, 2009). ....................................................................................... 67

    Figura 20 - Comunicao Multi-Mestre (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP,

    2006). ................................................................................................................ 73

    Figura 21 - Comunicao Mestre-Escravo (PROFINEWS: Verses do Profibus-

    DP, 2006). ......................................................................................................... 74

    Figura 22 - Verses do Profibus-DP (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP,

    2006). ................................................................................................................ 75

    Figura 23 - Comunicao Publisher-Subscriber (PROFINEWS: Verses do

    Profibus-DP, 2006). .......................................................................................... 77

    Figura 24 - Nveis do protocolo Foundation Fieldbus (ALBUQUERQUE e

    ALEXANDRIA, 2009). ....................................................................................... 81

    Figura 25 - Conexes H1 e HSE (COELHO, 2008). ......................................... 83

    Figura 26 - Blocos funcionais da aplicao do usurio (SMAR: Tutorial

    Foundation Fieldbus, 2006). ............................................................................. 86

    Figura 27 - Exemplo de malha de controle usando blocos funcionais (SMAR:

    Tutorial Foundation Fieldbus, 2006). ................................................................ 88

    Figura 28 Comunicaes implcita e explcita (LUGLI e SANTOS, 2009). ..... 93

    Figura 29 - Diagrama fsico. ............................................................................ 101

    Figura 30 - Diagrama Lgico. .......................................................................... 101

    Figura 31 - Dimenses fsicas do mdulo AL-3632 em mm (ALTUS - Cd. Doc.:

    6102-332.9 Reviso: J, 200-) .......................................................................... 103

    Figura 32 - Dimenses fsicas do mdulo AL-3512 em mm (ALTUS - Cd. Doc.:

    CT6102-213.6 Reviso: N, 200-). ................................................................... 104

  • Figura 33 - Vista frontal do AL-2004 (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: 6207-

    011.8 Reviso: G, 2006). ................................................................................ 105

    Figura 34 - Vista frontal do AL-3406 (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.:

    CT102610 Reviso: C, 200-). ......................................................................... 107

    Figura 35- Mdulo PO5063 e base PO6500 (ALTUS - Cd. Doc.: CT109503

    Reviso: E, 200-). ........................................................................................... 109

    Figura 36 - Dimenses fsicas do mdulo PO5063 na base PO6500 em mm

    (ALTUS - Cd. Doc.: CT109503 Reviso: E, 200-). ........................................ 110

    Figura 37 - Chaves de configurao e fusvel (ALTUS - Cd. Doc.: 6209-508.0

    Reviso: A, 2005). .......................................................................................... 111

    Figura 38 - Dimenses Fsicas do mdulo PO1112 na base PO6001 em mm

    (ALTUS - Cd. Doc.: CT109312 Reviso: G, 200-). ....................................... 112

    Figura 39 - Bastidor e mdulos. ...................................................................... 120

    Figura 40 - Dimenses fsicas do trilho em mm (ALTUS - Cd. Doc.: MU299014

    Reviso: D, 2003). .......................................................................................... 120

    Figura 41 - Disposio das bases da Serie Ponto. ......................................... 121

    Figura 42 - Posicionamento dos mdulos escravos na rede........................... 122

    Figura 43 - Conector AL-2602 e cabo AL-2303. ............................................. 123

    Figura 44 - Descrio de componentes, conexo dos cabos de alimentao e

    de transmisso de dados para os mdulos Profibus PO5063 escravos

    (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: 6209-508.0 Reviso: A, 2005). ................. 124

    Figura 45 - Utilizao do conector Profibus e da interface AL-3406 mestre. .. 125

    Figura 46 - Instalao do instrumento termopar tipo K no mdulo PO1112

    (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: CT109312 Reviso: G, 200-).................... 126

    Figura 47 - Automao do circuito discreto. .................................................... 127

  • Figura 48 - Instalao do LED/Resistor no mdulo PO2022 (adaptado de

    ALTUS - Cd. Doc.: CT109412 Reviso: F, 200-). ......................................... 128

    Figura 49 - Instalao dos atuadores no mdulo PO1001 (adaptado de ALTUS

    - Cd. Doc.: CT109301 Reviso: D, 200-). ..................................................... 130

    Figura 50 - Insero de interface mestre na rede. .......................................... 132

    Figura 51 - Insero de interface escrava na rede. ......................................... 133

    Figura 52 - Parmetros da interface mestre.................................................... 133

    Figura 53 - Configurao da interface escrava de posio 1. ......................... 134

    Figura 54 - Configurao do mdulo de entrada analgica. ........................... 135

    Figura 55 - Parmetros do barramento Taxa de transmisso. ..................... 135

    Figura 56 - Status da rede Profibus em funcionamento. ................................. 136

    Figura 57 - Interface do mdulo de partida C-TESTE.000. ............................. 137

    Figura 58 - Posicionamento lgico da interface mestre. ................................. 138

    Figura 59 - Configuraes da instruo CHF (ALTUS - Cd. Doc.: MU202610

    Reviso: H, 2009). .......................................................................................... 138

    Figura 60 - Parmetros de entrada do OPER3. .............................................. 139

    Figura 61 - Primeira lgica com instruo CHF. ............................................. 140

    Figura 62 - Importando a configurao do ProfiTool. ...................................... 141

    Figura 63 - Configurao dos Ns da rede. .................................................... 141

    Figura 64 - Enviando os mdulos para o dispositivo. ...................................... 143

    Figura 65 - Alterando o estado da UCP. ......................................................... 143

    Figura 66 - Monitoramento da Lgica: 000 do Mdulo Principal. .................... 145

    Figura 67 - Taxas de transmisso do barramento. ......................................... 146

    Figura 68 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal ao pressionar

    BL. .................................................................................................................. 146

  • Figura 69 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal indicando LED

    aceso. ............................................................................................................. 147

    Figura 70 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal ao pressionar

    BD. .................................................................................................................. 147

    Figura 71 - Monitoramento da Lgica: 001 do Mdulo Principal indicando LED

    apagado .......................................................................................................... 147

    Figura 72 - Monitoramento do endereo %M0400. ......................................... 149

    Figura 73 - Equipamentos interligados em funcionamento. ............................ 150

  • LISTA DE GRFICOS

    Grfico 1 - Estudo sobre redes industriais (Control Engeneering Research

    Group, 2003). .................................................................................................... 25

    Grfico 2 - Tempratura mxima do ferro de soldar de 30W medida pelo

    temropar.......................................................................................................... 148

  • LISTA DE TABELAS

    Tabela 1 - Principais caractersticas dos termopares, onde so apresentados os

    campos: (a) Modelo; (b) Range de temperaturas; (c) Contagem e (d) Resoluo

    (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: CT109316 Reviso: C). .............................. 42

    Tabela 2- Sinais padro RS-232 onde so apresentados os seguintes campos:

    (a) Nome do pino; (b) Descrio. ...................................................................... 68

    Tabela 3- Nmeros de equipamentos em H1, onde so apresentados os

    seguintes campos: (a) Qtd. Equipamentos; (b) Configurao da rede. ............ 83

    Tabela 4 - Blocos funcionais especificados pela Fieldbus Foundation onde so

    apresentados os seguintes campos: (a) Funo do bloco; (b) Smbolo ........... 87

    Tabela 5 - Lista de mdulos utilizados no teste onde so apresentados os

    seguintes campos: (a) Mdulos; (b) Descrio dos componentes. ................. 102

    Tabela 6 - Caractersticas do mdulo AL-3512, onde so apresentados os

    seguintes campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado de

    ALTUS - Cd. Doc.: CT6102-213.6 Reviso: N, 200-). ................................... 104

    Tabela 7- Caractersticas principais do mdulo AL-2004, onde so

    apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado

    de ALTUS - Cd. Doc.: 6207-011.8 Reviso: G, 2006)................................... 106

    Tabela 8- Caractersticas principais do mdulo AL-3406, onde so

    apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado

    de ALTUS - Cd. Doc.: CT102610 Reviso: C, 200-). .................................... 108

    Tabela 9 - Caractersticas principais do mdulo PO5063, onde so

    apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado

    de ALTUS - Cd. Doc.: CT109503 Reviso: E, 200-). .................................... 109

  • Tabela 10- Caractersticas principais do mdulo PO1112, onde so

    apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado

    de ALTUS - Cd. Doc.: CT109312 Reviso: G, 200-). .................................... 112

    Tabela 11 - Caractersticas principais do mdulo PO1001, onde so

    apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado

    de ALTUS - Cd. Doc.: CT109301 Reviso: D, 200-). .................................... 114

    Tabela 12 - Configuraes principais do mdulo PO2022, onde so

    apresentados os campos: (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado

    de ALTUS - Cd. Doc.: CT109402 Reviso: G, 200-). .................................... 115

    Tabela 13 - Caractersticas dos softwares, onde so apresentados os campos:

    (a) Caractersticas tcnicas; (b) Descrio (adaptado de ALTUS (Cd. Doc.:

    6103-028.7 Reviso:I e Cd. Doc.: CT103026 Reviso: C, 200-)). ................ 116

    Tabela 14 - Lista de equipamentos e ferramentas adicionais, onde so

    apresentados os campos: (a) Equipamentos; (b) Descrio tcnica; (c)

    Ferramentas; (d) Descrio tcnica. ............................................................... 117

    Tabela 15 - Configurao das chaves A e B das bases, onde so apresentados

    os seguintes campos: (a) Bases; (b) Posio da Chave A; (c) Posio da

    Chave B. (adaptado de (ALTUS - Cd. Doc.: CT109503 Reviso: E, Cd.

    Doc.: CT109312 Reviso: G, Cd. Doc.: CT109301 Reviso: D, Cd. Doc.:

    CT109402 Reviso: F, 200-)) ......................................................................... 121

    Tabela 16 - Configurao das chaves SW2 e SW3 das bases PO6500, onde

    so apresentados os seguintes campos: (a) Bases PO6500; (b) Chave SW2;

    (c) Chave SW3 (adaptado de ALTUS - Cd. Doc.: 6209-508.0 Reviso: A,

    2005). .............................................................................................................. 123

  • LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

    A/D - Conversor Analgico-Digital

    ANSI - American National Standards Institute

    BD - Boto Desliga

    BL - Boto Liga

    Bps - Bits por Segundo

    CCITT - Consultative Committee for International Telegraph and

    Telephone

    CD - Compact Disc

    CENELEC - Comit Europeu de Normalizao Eletrotcnica

    CI - ControlNet International

    CIP - Common Industrial Protocol

    CLP - Controlador Lgico Programvel

    UCP - Central Processing Unit

    CRC - Cyclic Redundancy Check

    D/A - Conversor Digital-Analgico

    DCOM - Distributed Component Object Model

    DCS - Distributed Control System

    DDE - Dynamic Data Exchange

    DPV0 - Protocolo Profibus-DP verso 0

    DPV1 - Protocolo Profibus-DP verso 1

    DPV2 - Protocolo Profibus-DP verso 2

    ECL - Estao de Controle Local

    ED - Ethernet Device

  • EEPROM - Electrically- Erasable Programmable Read-Only Memory

    EIA - Electronic Industries Alliance

    EPROM - Erasable Programmable Read-Only Memory

    ERP - Enterprise Resource Planning

    FDL - Fieldbus Data Link

    GD - Gateway Device

    GM - General Motors

    GPIB - General Purpose Interface Bus

    GSD - Arquivo de configurao dos equipamentos Profibus

    HD - Host Device

    HSE - High Speed Ethernet

    I/O - Inputs and Outputs

    IEA - Industrial Ethernet Association

    IEC - International Electrotechnical Commission

    IEEE - Institute of Electrical and Electronis Engineers

    IHM - Interfaces Homem-Mquina

    IP - Internet Protocol

    IRT - Isochronous Real Time

    ISO - International Standards Organization

    ISO - International Organization for Standardization

    ISP - InterOperable Systems Project

    LAN - Local Area Network

    LAS - Link Active Scheduler

    LD - Link Device

    LED - Light Emitting Diode

  • MAC - Media Access Control

    MES - Manufacturing Execution Systems

    NEMA - National Electrical Manufacturers Associoation

    ODVA - Open DeviceNet Vendor Association

    ohm - Unidade de medida da resistncia eltrica

    OLE - Object Linking and Embedding

    OPC - OLE for Process Control

    OSI - Open Systems Interconnection

    PID - Controle Proporcional-Integrativo-Derivativo

    PROM - Programmable Read-Only Memory

    RAM - Random Access Memory

    RTU - Remote Terminal Unit

    Rxd - Received Data

    SCADA - Supervisory Control and Data Acquisition

    SDCD - Sistema Digital de Controle Distribudo

    SG - Signal Ground

    SRT - Soft Real Time

    TCP - Transmission Control Protocol

    TIA - Telecommunications Industry Association

    Txd - Transmitted Data

    UDP - User Datagram Protocol

  • LISTA DE SMBOLOS

    C - Grau Celsius: Unidade de temperatura

    A - Ampre: Unidade de fluxo de cargas eltricas

    Baud - Medida de velocidade de sinalizao

    G(s) - Funo transferncia do controlador

    H(s) - Funo transferncia do processo

    Hz - Hertz: unidade de freqncia

    m - Metros: unidade de comprimento

    s - Segundos: unidade de tempo

    T(s) - Funo transferncia total do sistema

    V - Volts: Unidade de diferena de potencial eltrico

    W - Watts: unidade de medida de potncia

    - Ohm: Unidade de medida de resistncia eltrica

  • LISTA DE EQUAES

    1 - Equao de funo transferncia.................................................................64

  • SUMRIO

    CAPTULO 1 - INTRODUO GERAL ..................................................................... 24

    1.1 Motivao ............................................................................................ 25

    1.2 Problemtica ........................................................................................ 28

    1.3 Caracterizao do problema no teste prtico ...................................... 31

    1.4 Objetivos .............................................................................................. 32

    1.5 Estrutura do trabalho ........................................................................... 33

    CAPTULO 2 - FUNDAMENTAO TERICA ........................................................... 34

    2.1 Conceito Geral das Redes de Automao Industrial ........................... 35

    2.1.1 Histrico das Redes de Computadores ......................................... 35

    2.1.2 Evoluo da automao industrial ................................................. 36

    2.1.2.1 Sensores, atuadores e transdutores ....................................... 39

    2.1.2.1.1 Atuadores .......................................................................... 39

    2.1.2.1.2 Sensores ........................................................................... 40

    2.1.2.1.3 Transdutores ..................................................................... 43

    2.1.2.2 CLP Controlador Lgico Programvel ................................. 44

    2.1.2.2.1 Princpio de funcionamento do CLP .................................. 45

    2.1.2.2.2 Estrutura interna do CLP ................................................... 46

    2.1.3 Modelo Padro e Topologias de Redes de Automao Industrial . 50

    2.1.3.1 Modelo em Camadas: OSI...................................................... 50

    2.1.3.2 Topologia de redes tipo barramento ....................................... 51

    2.2 Redes de barramento de campo.......................................................... 53

    2.3 Sistemas centralizados e distribudos .................................................. 55

    2.3.1 Sistemas centralizados ................................................................. 55

    2.3.2 Sistemas distribudos .................................................................... 57

    2.3.2.1 SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo .................... 58

    2.3.2.1.1 Princpio de funcionamento e aplicaes do SDCD .......... 59

    2.4 Comparao entre mestre e escravo ................................................... 60

    2.5 Sistemas Proprietrios e Sistemas Abertos ......................................... 61

    2.6 Controles de Processos Industriais ...................................................... 62

    2.6.1 Controle em malha aberta ............................................................. 62

    2.6.2 Controle em malha fechada .......................................................... 63

  • 2.6.3 Aplicao das redes Fieldbus em controles de processos

    industriais ................................................................................................... 64

    2.7 Caractersticas e meios de transmisso de redes industriais .............. 66

    2.7.1 Principais padres de interface de comunicao serial ................. 66

    2.7.1.1 Padro RS-232 ....................................................................... 66

    2.7.1.2 Padro RS-485 ....................................................................... 68

    2.8 Principais protocolos de comunicao Fieldbus .................................. 71

    2.8.1 Protocolo Profibus ......................................................................... 71

    2.8.1.1 A origem ................................................................................. 71

    2.8.1.2 Caractersticas bsicas ........................................................... 71

    2.8.1.3 Caractersticas do Profibus-DP ............................................... 75

    2.8.1.4 Profisafe: segurana das redes Profibus ................................ 78

    2.8.2 Protocolo Foundation Fieldbus ...................................................... 80

    2.8.2.1 A origem ................................................................................. 80

    2.8.2.2 Caractersticas bsicas da tecnologia Foundation Fieldbus ... 80

    2.8.2.2.1 Nvel fsico ......................................................................... 82

    2.8.2.2.2 Nvel de enlace (DLL Data Link Layer) ........................... 84

    2.8.2.2.3 Nvel de aplicao ............................................................. 85

    2.8.2.2.4 Nvel de usurio ................................................................. 86

    2.8.3 Protocolos Ethernet Industriais...................................................... 89

    2.8.3.1 A origem ................................................................................. 89

    2.8.3.2 Caractersticas bsicas dos protocolos Ethernet Industriais ... 90

    2.8.3.2.1 Profinet .............................................................................. 91

    2.8.3.2.2 Ethernet/IP......................................................................... 92

    2.8.3.2.3 HSE High Speed Ethernet .............................................. 94

    2.8.4 Protocolo OPC OLE for Process Control .................................... 96

    CAPTULO 3 - DESENVOLVIMENTO DO ESTUDO PRTICO ....................................... 97

    3.1 Identificao da necessidade ............................................................... 98

    3.1.1 Oportunidade identificada ............................................................. 98

    3.1.2 Expectativa com relao ao projeto .............................................. 99

    3.2 Concepo da experincia ................................................................ 100

    3.2.1 Objetivos e definies principais ................................................. 100

    3.2.2 Ferramentas e equipamentos...................................................... 102

    3.2.3 Fases e etapas ............................................................................ 117

  • 3.2.4 Resultados esperados ................................................................. 118

    3.3 Desenvolvimento do projeto .............................................................. 119

    3.3.1 Configuraes de hardware ........................................................ 119

    3.3.2 Configuraes de software .......................................................... 131

    3.4 Resultados Obtidos ............................................................................ 145

    3.4.1 Monitoramento da Lgica: 000 .................................................... 145

    3.4.2 Monitoramento da Lgica: 001 .................................................... 145

    3.4.3 Monitoramento do sensor termopar ............................................ 148

    3.5 Finalizao do teste ........................................................................... 150

    CAPTULO 4 - CONCLUSES E PROPOSTAS FUTURAS ......................................... 151

    CAPTULO 5 - REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS ................................................... 153

    CAPTULO 6 - GLOSSRIO ................................................................................ 159

  • 24

    CAPTULO 1

    - INTRODUO GERAL

    Neste captulo ser apresentada a motivao em realizar este trabalho,

    bem como toda a problemtica, objetivos e organizao do documento.

  • 25

    1.1 Motivao

    A comunicao uma das maiores necessidades do homem desde o

    seu surgimento (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    A necessidade de medir e conhecer grandezas fsicas foi surgindo ao

    longo do processo de industrializao, ao qual a sociedade foi e est

    submetida. Os processos industriais se tornam cada vez mais complexos e

    rigorosos medida que mais tecnologias so desenvolvidas e mais

    competitivas se tornam as economias (ALBUQUERQUE E THOMAZINI, 2009).

    Podemos ver no grfico 1 um panorama do cenrio comercial:

    A criao de novos dispositivos autnomos inteligentes depende da

    fabricao de componentes a um custo suficientemente baixo e com alto

    desempenho, tais como: microprocessadores, microcontroladores, memrias e

    sensores; e o desenvolvimento de sistemas operacionais, tcnicas de

    Grfico 1 - Estudo sobre redes industriais (Control Engeneering Research Group, 2003).

  • 26

    programao orientada a objetos, assim como de ferramentas de modelagem e

    simulao, contribuem para a evoluo dos sistemas de automao industrial

    (LUGLI e SANTOS, et al., 2009).

    Atravs dessas ferramentas e mtodos possvel desenvolver

    sistemas de automao compostos por diversos equipamentos, tais como

    sensores, atuadores, controladores, e outros dispositivos conectados entre si

    por um barramento industrial, formando assim uma rede de equipamentos

    que cooperam entre si na realizao de tarefas, trazendo uma srie de

    vantagens quanto confiabilidade, facilidade de compreenso dos dados e ao

    custo (LUGLI e SANTOS, 2009).

    As reas como as de eletrnica de consumo e automotiva jamais

    conseguiriam fornecer os produtos que fornecem hoje se os mesmos no

    fossem produzidos de forma automtica. Esta nova fase da Revoluo

    Industrial trouxe uma grande evoluo na produo e na qualidade de produtos

    (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).

    fato que as redes industriais j realizaram uma revoluo comparvel

    feita pela Internet na comunicao. Hoje, redes complexas so formadas nas

    indstrias por controladores lgicos programveis, interfaces homem-mquina,

    sistemas SCADA e outros equipamentos que possuem interfaces, permitindo

    que a informao seja transmitida de forma instantnea e precisa ao longo das

    etapas entre planejamento e produo. imprescindvel que os profissionais

    das reas de automao industrial e tecnologia de informao tenham slidos

    conhecimentos de redes industriais para que possam aproveitar ao mximo as

    ferramentas necessrias para o desenvolvimento de aplicaes que atendam

    s necessidades das indstrias (ALBUQUERQUE E ALEXANDRIA, 2009).

  • 27

    Este trabalho motivado pela inteno de apresentar as caractersticas

    dos principais protocolos de redes industriais assim como a sua aplicabilidade

    no meio industrial, levando em considerao a quantidade insuficiente e pouca

    acessibilidade de informaes sobre este tema atravs de meios acadmicos

    (OLIVEIRA, 2010).

  • 28

    1.2 Problemtica

    Os custos com cabeamento na instalao e manuteno dos sistemas

    de controle tradicionais so considerados altos com relao aos novos

    sistemas de redes industriais que possibilitam maior facilidade na expanso de

    uma rede industrial (SMAR, 1998).

    importante definir uma soluo coerente e aplicvel para redes

    industriais quando se deseja estabelecer comunicao em uma empresa. de

    grande responsabilidade dos profissionais desta rea, manter a integridade e

    funcionalidade dos sistemas, aperfeioando sempre que possvel o

    desempenho das redes industriais as tornando mais confiveis e seguras

    (LUGLI e SANTOS, 2009).

    comum que fornecedores apresentem solues de redes de campo

    proprietrias, assim o cliente depende de produtos, servios e manuteno de

    um nico fabricante de sistemas de integrao industrial, estes tendem a lanar

    produtos compatveis com a sua arquitetura prpria, gerando graves problemas

    de compatibilidade entre os equipamentos de hardware e softwares presentes

    nos diversos nveis (SILVA, et al., 2006).

    As arquiteturas de sistemas abertos possuem a vantagem de seguir

    padres, fazendo com que o usurio encontre diferentes solues para um

    nico problema (SILVA, et al., 2006).

    A diversidade de padres das arquiteturas de sistemas abertos implica

    em um estudo para se determinar qual o tipo de rede que possui as maiores

    vantagens de implementao ao cliente final que deve procurar uma plataforma

    que seja compatvel com o maior nmero de interfaces possveis a fim de

    encontrar solues adequadas as suas necessidades (SILVA, et al., 2006).

  • 29

    As novas tecnologias disponveis hoje no mercado deram continuidade

    evoluo de sensores integrados produzidos nos anos de 1980, e

    viabilizaram o desenvolvimento de sensores inteligentes com programao

    enderevel independente para trabalhar em redes de comunicao do tipo

    barramento (ALBUQUERQUE E THOMAZINI, 2009).

    Pode-se concluir que alm da diminuio de custos com materiais h

    tambm a preocupao com a compatibilidade de produtos de outras verses

    ou fabricantes que possam operar em um mesmo sistema de rede industrial.

    Muitas indstrias ainda utilizam sistemas com Controlador Lgico

    Programvel (CLP) com topologia ponto a ponto. Neste caso, cada ponto de

    I/O (entrada e Sada) deve ser conectado ao CLP, conforme a figura 1.

    O alto custo de implementao e a dificuldade para se encontrar

    possveis defeitos no projeto so de fato problemas neste tipo de sistema

    devido grande quantidade de cabos. Assim, as redes industriais propem

    solucionar esses dois grandes problemas (LUGLI e SANTOS, 2009). Podemos

    ver na figura 2 alguns instrumentos conectados a um nico barramento.

    Figura 1 - Sistema tradicional com Controlador Lgico Programvel (LUGLI e SANTOS, 2009).

  • 30

    Uma rede bem dimensionada para um ambiente industrial, geralmente

    hostil, deve possuir ns espalhados fisicamente para no trabalharem em

    sobrecarga, a fim de se obter um desempenho aceitvel, desempenho este que

    medido principalmente em tempo de resposta (ALBUQUERQUE e

    ALEXANDRIA, 2009). As redes para estes ambientes devem ter capacidade

    para transmisso de dados em tempo real, ou seja, tempo de resposta

    determinstico e uma violao das restries de tempo pode ser considerado

    uma falha na rede (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

    Figura 2 - Sistema com barramento de campo (LUGLI e SANTOS, 2009).

  • 31

    1.3 Caracterizao do problema no teste prtico

    No teste prtico apresentaremos uma soluo para a problemtica de

    compatibilidade na comunicao entre equipamentos de diferentes verses

    (SILVA, et al., 2006), conforme veremos posteriormente, a incompatibilidade

    um problema que surgiu com o aumento da comunicao de dados, uma vez

    que os usurios se tornaram obrigados a depender de um nico fornecedor

    (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).

    Apresentaremos tambm caractersticas do funcionamento real de uma

    rede Profibus. Exemplificando com estudos prticos a confiabilidade ao se

    escolher o protocolo Profibus-DP de comunicao entre estes equipamentos

    (ALTUS e PROFIBUS, 2010).

  • 32

    1.4 Objetivos

    Este trabalho tem o objetivo de realizar um estudo sobre a tecnologia

    Fieldbus, descrevendo suas caractersticas tcnicas, histrico, evoluo,

    normatizao, compatibilidades com outras tecnologias, tendncia de mercado,

    vantagens e desvantagens de sua utilizao em vista de contribuir, ainda que

    seja de forma singela, com a comunidade acadmica sobre este tema.

    Especificamente, os seguintes objetivos podem ser listados:

    Estudar a evoluo das redes industriais.

    Apresentar a padronizao do modelo Fieldbus.

    Definir arquitetura de sistema aberto estudando o protocolo

    Profibus-DP.

    Aplicar os conceitos estudados ao realizar o teste prtico.

    O teste prtico deve atender a norma que especifica os padres de

    Nvel Fsico necessrios formao de uma rede Profibus EN 50170.

  • 33

    1.5 Estrutura do trabalho

    Este trabalho est organizado em quatro captulos. Inicialmente o

    Captulo 1 contendo a introduo ao trabalho. No Captulo 2 feita uma reviso

    da literatura sobre conceitos, normas e teorias dos protocolos de redes

    industriais assim como do protocolo vinculado ao estudo prtico. O Captulo 3

    descreve a metodologia de desenvolvimento do estudo prtico proposto em

    detalhes. No Captulo 4 apresentado o resumo dos resultados obtidos, a

    concluso e as propostas futuras. Em anexo segue as referncias bibliogrficas

    e glossrio.

  • 34

    CAPTULO 2

    - FUNDAMENTAO TERICA

    Neste captulo apresentaremos os conceitos, caractersticas tcnicas e

    normatizao, compatibilidades com outras tecnologias, as vantagens e

    desvantagens da tecnologia de redes Fieldbus, bem como dos principais

    protocolos utilizados no mercado, com nfase no Profibus, que ser o utilizado

    nos Captulos 3 e 4.

  • 35

    2.1 Conceito Geral das Redes de Automao Industrial

    2.1.1 Histrico das Redes de Computadores

    Na dcada de 1950, os computadores eram mquinas extensas e de

    grande complexidade, e s podiam ser operadas por profissionais altamente

    qualificados. Diante dessa dificuldade e, por no terem acesso essas

    mquinas to complexas, as pessoas interessadas em utilizar os

    processadores eram obrigadas a deixar suas fitas magnticas e leitoras de

    carto com os operrios, que as processava em lote. Deste cenrio surgiram

    as primeiras idias sobre a conexo entre computadores (BURIAN e

    YAMAGUCHI, 2005).

    Apenas na dcada de 1960 surgiram as primeiras estaes interativas,

    as quais permitiam o acesso ao computador central atravs de linhas de

    comunicao. Tais avanos tecnolgicos proveram um forte aumento no

    desenvolvimento de sistemas de pequeno porte, e, tambm, o surgimento de

    uma nova necessidade: a de interconectar cada vez mais equipamentos a fim

    de compartilhar recursos caros e trocar dados entre os diversos sistemas

    (BURIAN, et. al., 2005).

    Outro fator determinante para o desenvolvimento de tcnicas de

    interconexo foi a capacidade de troca de informaes. Os usurios sentiam a

    necessidade de trocar mensagens entre si e acessar os dados de programas

    de vrias fontes externas diferentes (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

    Deste cenrio nasceram as redes de computadores (primeiramente

    apenas nos ambientes de trabalho), onde foi introduzido um sistema de

    comunicao para interligar os equipamentos de processamentos de dados

  • 36

    (chamados de estaes de trabalho), os quais operavam isoladamente, com o

    objetivo de permitir o compartilhamento de recursos.

    No entanto, surgiu um problema com o crescimento da comunicao

    de dados: a incompatibilidade, uma vez que os usurios, genericamente

    falando, se tornaram dependentes de um nico fornecedor dos equipamentos,

    sendo que quase sempre seus produtos eram desenvolvidos sob um modelo

    de arquitetura proprietrio.

    No sentido de acabar com esse monoplio por parte dos fornecedores,

    algumas instituies efetuaram esforos no sentido de padronizar os

    componentes envolvidos num sistema de comunicao de dados, caminhando

    para a conectividade universal. Dentro dessas instituies destacam-se a ISO

    (Organizao Internacional para Padronizao), IEEE (Instituto de Engenharia

    Eltrica e Eletrnica) e CCITT (Comit Consultivo Internacional de Telefonia e

    Telegrafia) (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

    2.1.2 Evoluo da automao industrial

    O conceito de automao surgiu no sculo X, onde a utilizao do

    moinho hidrulico substitua a fora humana, a qual foi uma das primeiras

    formas de automatizar o trabalho braal (GOEKING, 2010).

    Com o passar do tempo e a valorizao do trabalhador, algumas

    alteraes nas mquinas e equipamentos foram necessrias de forma a

    proteger a mo-de-obra de algumas funes inadequadas a estrutura fsica do

    homem. A mquina, ento, passou a fazer o trabalho mais pesado e o homem,

    a supervision-la (PRODENGE UERJ, 2007).

  • 37

    A partir desse conceito, atualmente, automao consiste em substituir

    o trabalho humano utilizando sistemas computacionais com o intuito de

    aumentar a velocidade e a qualidade dos processos produtivos, bem como a

    segurana dos funcionrios, alm de obter maior controle, planejamento e

    flexibilidade da produo (GOEKING, 2010).

    A fim de garantir esse controle do sistema de produo nas indstrias,

    sensores foram inseridos nas mquinas para monitorar e indicar as condies

    do processo. A partir do processamento dessas informaes coletadas pelos

    sensores, os atuadores eram ento acionados para garantir o controle dos

    equipamentos e processos fabris (GOEKING, et al., 2010).

    Diante de todo esse avano e, com a necessidade de se classificar os

    diferentes nveis de automao das plantas industriais, foi criada, na dcada de

    1980, a chamada pirmide da automao. Essa pirmide divide os nveis dos

    equipamentos envolvidos em cada processo da indstria e mostra como as

    informaes so filtradas do nvel 1 at chegar ao topo. De outro lado, as

    tarefas a serem executadas, originadas pelos nveis 4 e 5, passam pelo nvel 3,

    que garante que as mesmas sejam executadas pelos nveis operacionais

    (BURIAN, et al., 2005).

  • 38

    Na figura 3 representada a pirmide da automao. Nela, esto os

    diferentes nveis de automao, bem como os componentes mais importantes

    de cada um e exemplos de redes que fazem a comunicao entre nveis:

    Analisando a pirmide podemos concluir que as plantas devem possuir

    seus nveis funcionais bem interconectados, buscando um fluxo de dados tanto

    entre as camadas de mesmo nvel (fluxo horizontal) quanto de nveis diferentes

    (fluxo vertical). Esse trfego de dados entre as camadas torna-se possvel

    atravs de um meio fsico, ou seja, uma rede de comunicao dedicada

    conexo dos elementos sensores e transdutores dispostos ao longo da planta,

    no nvel operacional.

    Figura 3 - Pirmide da Automao (GOEKING, 2010).

  • 39

    Alm da estrutura fsica, requerido tambm um padro de

    comunicao, o qual ser responsvel pelo gerenciamento da troca de

    pacotes de informaes entre as camadas (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

    2.1.2.1 Sensores, atuadores e transdutores

    Como visto anteriormente, na maioria dos processos automatizados,

    necessria uma realimentao do processo para que o dispositivo de controle

    conhea a sada do sistema e possa tomar as providncias necessrias.

    As informaes quanto ao andamento do processo devem estar

    sempre disponveis para serem controladas de forma que o sistema possa

    trabalhar de acordo com o preestabelecido. Essas informaes so coletadas

    por intermdio das mais diversas variedades de sensores (THOMAZINI e

    ALBUQUERQUE, 2009).

    No estudo da automao industrial faz-se necessrio determinar as

    condies (ou variveis) do sistema. necessrio obter os valores das

    variveis fsicas do ambiente a ser monitorado. Os sensores, atuadores e

    dispositivos transdutores so os principais elementos que atuam na automao

    industrial, pois eles verificam e interferem no ambiente.

    2.1.2.1.1 Atuadores

    Atuadores so dispositivos capazes de modificar uma varivel

    (grandeza) controlada dentro de uma malha de controle. Agem no sistema a

    partir do recebimento de um sinal proveniente do controlador. Geralmente

    trabalham com potncia elevada (THOMAZINI, et. al., 2009). So exemplos de

    alguns atuadores:

  • 40

    Vlvulas (pneumticas, hidrulicas);

    Rels (estticos, eletromecnicos);

    Cilindros (pneumticos, hidrulicos);

    Motores (step-motor, syncro, servomotor);

    Solenides.

    2.1.2.1.2 Sensores

    Sensores so dispositivos sensveis a alguma forma de energia do

    ambiente que pode ser luminosa, trmica, cintica, relacionando informaes

    sobre uma grandeza que precisa ser medida, como temperatura, presso,

    velocidade, corrente, acelerao, posio, etc. (THOMAZINI e

    ALBUQUERQUE, 2009).

    Na automao, sensores de diversos tipos esto espalhados pela rea

    de produo das indstrias coletando dados importantes para a manuteno e

    controle das operaes. Porm, normalmente o sinal de sada de um sensor

    deve ser manipulado antes da sua leitura no sistema de controle. Atravs de

    um circuito de interface (um amplificador, por exemplo) esse sinal modificado

    para que o mesmo possa ser lido e interpretado pelo controlador.

    A figura 4 demonstra algumas das formas de energia detectveis por

    um sensor:

  • 41

    Efeitos

    fsicos

    Luz

    Calor

    Som

    Efeitos

    mecnicos

    Posio

    Fora

    Velocidade

    Sensor

    Sinal

    de

    sada

    Sensores analgicos tm como caracterstica a modificao dos

    valores no seu sinal de sada ao longo do tempo, respeitando o seu range de

    operao. Alguns exemplos das grandezas medidas por este tipo de sensores

    so: presso, temperatura, velocidade, vazo, umidade, fora, entre outras

    (THOMAZINI, et. al., 2009). A figura 5 ilustra a variao de uma grandeza fsica

    (temperatura) de forma analgica:

    Um exemplo de sensor analgico so os sensores de temperatura

    conhecidos como termopar (utilizado no estudo prtico do captulo 3).

    Figura 4 - Ilustrao das formas de energia de um sensor (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009).

    Figura 5 - Ilustrao da variao de uma grandeza fsica de um sensor de temperatura analgico (THOMAZINI, et. al.,

    2009).

  • 42

    Os termopares so os sensores de temperatura mais utilizados na

    indstria, devido sua simplicidade e confiabilidade. So dispositivos

    considerados baratos, capazes de medir uma vasta gama de temperaturas e

    podem ser substitudos sem provocar erros relevantes no sistema de

    diagnstico (THOMAZINI, et al., 2009).

    Basicamente, o funcionamento dos termopares baseado no

    fenmeno de Seebeck. Em 1821, T. J. Seebeck descobriu que em um circuito

    fechado, feito com dois fios de dois metais heterogneos, a corrente eltrica flui

    de acordo com a diferena de potencial entre a juno de medio (junta

    quente) e a juno de referncia (junta fria).

    Existem diversos tipos de termopares disponveis no mercado. A

    escolha do termopar adequado est relacionada com a aplicao na qual o

    termopar ser utilizado e suas caractersticas, tais como o range de

    temperaturas suportadas, a exatido e a confiabilidade das leituras, entre

    outras. A tabela 1 a seguir mostra as caractersticas tcnicas dos diferentes

    tipos de termopares, destacando o termopar tipo K, utilizado em nosso estudo

    prtico do prximo captulo.

    Tabela 1 - Principais caractersticas dos termopares, onde so apresentados os campos: (a) Modelo; (b) Range de temperaturas; (c) Contagem e (d) Resoluo (adaptado de ALTUS - Cd.

    Doc.: CT109316 Reviso: C).

    Modelo (a) Range de Temperaturas (b) Contagem (c) Resoluo (d)

    J 0 1140 C 0 11400 0,1 C K -200 1250 C -2000 12500 0,1 C B 485 1700 C 4850 17000 0,1 C E -200 900 C -2000 9000 0,1 C T -200 350 C -2000 3500 0,1 C R 0 1450 C 0 14500 0,1 C S 0 1450 C 0 14500 0,1 C N -200 1235 C -2000 - 12350 0,1 C

  • 43

    Sensores digitais podem assumir apenas dois valores como sinal de

    sada independente do tempo, os quais so interpretados como zero ou um.

    No existem naturalmente grandezas fsicas que assumam esses valores, mas

    eles so assim mostrados ao sistema de controle aps serem convertidos pelo

    circuito eletrnico do transdutor. utilizado, por exemplo, em deteco de

    passagem de objetos, encoders na determinao de distncia ou velocidade,

    etc.. (MELO, et. al., 2007). A figura 6 Ilustrao da leitura da posio de um

    objeto por um encoder incremental (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009)

    ilustra a variao da posio de um objeto lida por um encoder incremental:

    2.1.2.1.3 Transdutores

    Transdutor um dispositivo capaz de transportar e transformar uma

    grandeza qualquer em outra para permitir que a mesma seja utilizada no

    controle de processos fsicos (THOMAZINI, et al., 2009).

    Os transdutores, com a utilizao de um elemento sensor acoplado,

    transformam uma grandeza fsica (presso, velocidade, temperatura, etc.) em

    Figura 6 - Ilustrao da leitura da posio de um objeto por um encoder incremental (THOMAZINI e ALBUQUERQUE, 2009).

  • 44

    um sinal de tenso ou corrente para ento ser interpretado por um sistema de

    controle.

    2.1.2.2 CLP Controlador Lgico Programvel

    A General Motors, em 1968, tendo dificuldades em alterar a lgica dos

    painis de comando a cada mudana na linha de montagem, fez uma

    solicitao empresa Allen-Bradley para que fosse confeccionado um

    equipamento capaz de substituir os antigos rels e que aumentasse a agilidade

    s modificaes nos processos produtivos. Partindo desta solicitao, a

    empresa, que j produzia equipamentos eltricos, desenvolveu o Controlador

    Lgico Programvel (CLP) (GOEKING, 2010).

    Segundo a NEMA (National Electrical Manufacturers Association), o

    CLP um aparelho eletrnico digital que utiliza uma memria programvel para

    armazenar internamente instrues e para implementar funes especficas,

    tais como lgica, seqenciamento, temporizao, contagem e aritmtica,

    controlando, por meio de mdulos de entradas e sadas, vrios tipos de

    mquinas ou processos (PRODENGE UERJ, 2007). A figura 7 apresenta a

    estrutura de um CLP dividida em trs partes: entradas, processamento e

    sadas:

  • 45

    2.1.2.2.1 Princpio de funcionamento do CLP

    Os sinais de E/S dos controladores lgicos programveis podem ser

    analgicos ou digitais. H diferentes tipos de mdulos de E/S de dados que se

    adquam a cada tipo de operao a ser processada.

    Os mdulos de E/S so formados por grupos de bits, associados em

    conjuntos de 8 bits (1 byte) ou 16 bits, variando de acordo com o tipo da UCP.

    Os mdulos de entradas analgicas so compostos por conversores A/D, que

    fazem a converso do sinal de entrada para um valor digital, normalmente de

    12 bits (4096 combinaes). As sadas analgicas so mdulos conversores

    D/A, ou seja, um valor binrio convertido em um sinal analgico (PRODENGE

    UERJ, 2007).

    Os sinais oriundos dos sensores so aplicados s entradas do

    controlador. A cada ciclo (varredura) estes sinais so lidos e enviados para a

    unidade de memria interna denominada memria imagem de entrada. Aps

    isso, so associados entre si e aos sinais internos. Ao final do ciclo de

    varredura, os sinais so transferidos memria imagem de sada e ento

    Figura 7 - Estrutura Bsica de um CLP (PRODENGE UERJ, 2007).

  • 46

    aplicados aos terminais de sada (PRODENGE UERJ, et al., 2007). A figura 8

    mostra este ciclo operacional dos CLPs:

    2.1.2.2.2 Estrutura interna do CLP

    O CLP um sistema microprocessado, ou seja, constitui-se de um

    microprocessador (ou microcontrolador), um Programa Monitor, uma Memria

    de Programa, uma Memria de Dados, uma ou mais interfaces de Entrada e

    Sada e Circuitos Auxiliares (ANTONELLI, 1998).

    As figuras 9 e 10 demonstram todas as partes constantes de um CLP:

    Figura 8 - Ciclo de processamento dos CLPs (PRODENGE UERJ, 2007).

  • 47

    A seguir so descritas as principais funes de cada bloco ilustrado no

    diagrama apresentado na figura 9:

    Fonte de Alimentao: converte e estabiliza a tenso da rede

    eltrica para a tenso de alimentao dos circuitos eletrnicos;

    mantm a carga da bateria nos sistemas que utilizam relgio em

    tempo real e memria do tipo RAM; e prov a alimentao das

    entradas e sadas (ANTONELLI, 1998).

    Figura 9 - Diagrama das partes constantes em um CLP (ANTONELLI, 1998).

    Figura 10 - CLP da marca Rockwell (INTERENG, 2010).

  • 48

    Unidade de Processamento: tambm conhecida como UCP,

    responsvel pelo funcionamento lgico e aritmtico de todos os

    circuitos. Nos CLPs modulares, a UCP est em um slot separado

    dos demais, podendo-se encontrar combinaes de UCP e fonte

    de alimentao. Nos CLPs de menor porte, a UCP e os demais

    circuitos esto todos em um nico mdulo. Possuem

    microprocessadores ou microcontroladores de 8 ou 16 bits,

    endereamento de memria de at 1MB, velocidades de Clock

    variando de 4 a 30MHz, e manipulao de dados decimais, octais

    e hexadecimais (ANTONELLI, 1998).

    Bateria: usadas para manter o circuito do Relgio em Tempo

    Real, reter parmetros ou programas (em memrias do tipo RAM),

    mesmo em caso de corte de energia, guardar configuraes de

    equipamentos, dentre outras. Normalmente so utilizadas baterias

    de Ltio recarregveis ou no-recarregveis. Nestes casos,

    incorporam-se circuitos carregadores (ANTONELLI, 1998).

    Memria do Programa Monitor: responsvel pelo

    funcionamento e gerenciamento de todas as atividades do CLP.

    No pode ser alterado pelo usurio e fica armazenado em

    memrias do tipo PROM, EPROM ou EEPROM. responsvel

    em permitir a transferncia de programas entre um computador ou

    Terminal de Programao e o CLP, gerenciar o estado da bateria

    do sistema, controlar os diversos OPCionais, e outros

    (ANTONELLI, 1998).

  • 49

    Memria do Usurio: local onde armazenado o programa da

    aplicao desenvolvido pelo usurio. Pode ser alterada pelo

    usurio, j que uma das vantagens do uso dos CLPs a

    flexibilidade de programao. Inicialmente era constituda de

    memrias do tipo EPROM, sendo hoje utilizadas memrias do tipo

    RAM (cujo programa mantido pelo uso de baterias), EPROM e

    FLASH-EPROM, sendo tambm comum o uso de cartuchos de

    memria, o que permite a troca do programa com a troca do

    cartucho de memria (ANTONELLI, 1998).

    Memria de Dados: local da memria RAM do CLP destinado

    a armazenar os dados do programa do usurio. Estes dados so

    normalmente valores de temporizadores, valores de contadores,

    cdigos de erro, senhas de acesso, dentre outros. Dados estes

    que sero consultados e/ou alterados durante a execuo do

    programa do usurio (ANTONELLI, 1998).

    Memria Imagem das Entradas/Sadas: local da memria

    onde so armazenados os estados de cada uma das entradas ou

    sadas aps cada ciclo de leitura das entradas ou modificaes

    nas sadas executados pela UCP. Essa regio da memria

    funciona como uma espcie de tabela, onde a UCP ir consultar

    sempre para obter informaes das entradas ou sadas para

    tomar as decises durante o processamento do programa do

    usurio (ANTONELLI, 1998).

  • 50

    2.1.3 Modelo Padro e Topologias de Redes de Automao Industrial

    2.1.3.1 Modelo em Camadas: OSI

    Resumidamente, os sistemas de comunicao so formados por uma

    topologia, que interliga os vrios mdulos processadores (estaes) atravs de

    enlaces fsicos (meios de transmisso) e de um conjunto de regras com a

    finalidade de organizar a comunicao (protocolos) (FOROUZAN, 2006).

    Em 1977, com o objetivo de uniformizar e universalizar os padres e

    modelos adotados pelos protocolos de rede, a International Organization for

    Standardization (ISO) criou o modelo OSI (Open Systems Interconnection),

    referncia para as interconexes de sistemas abertos (BURIAN e

    YAMAGUSHI, 2005).

    A figura 11 representa as sete camadas do modelo OSI:

    Um modelo nada mais que um padro que organiza os conceitos

    gerais ou fornece caminhos, como se fosse uma manual, com uma descrio

    facilmente compreendida. No caso das redes de computadores, o modelo

    Figura 11 - Camadas do Modelo OSI (SMAR, 2010).

  • 51

    descreve os servios necessrios para o trfego dos dados de um lugar para

    outro.

    Devido ao fato do modelo OSI ser apenas um padro, as camadas no

    realizam tarefa alguma. So as implementaes de protocolos que executam

    funes especficas associadas a uma camada desse modelo (BURIAN e

    YAMAGUSHI, 2005).

    2.1.3.2 Topologia de redes tipo barramento

    O termo topologia significa a forma como os elementos constantes em

    uma rede esto dispostos fisicamente. Dois ou mais dispositivos formam um

    link; dois ou mais links geram uma topologia de rede. Sendo assim, a topologia

    diz respeito ao esquema fsico e lgico da interconexo de todos os links e

    dispositivos conectados na rede (FOROUZAN, 2006).

    Existem quatro topologias bsicas: malha, estrela, barramento e anel.

    Acertaremos nosso foco na topologia tipo barramento por se tratar da mais

    utilizada em redes de automao industriais.

    Diferente das demais topologias, a barramento prov conexes

    multiponto. Nela, as estaes esto conectadas a um mesmo barramento que

    funciona como um backbone (espinha dorsal). Todos os dados enviados so

    recebidos por todas as estaes simultaneamente.

    A maior vantagem dessa topologia se d no sentido da economia no

    cabeamento da rede. Ao contrrio das topologias tipo malha e estrela, onde

    vrios segmentos de cabo so necessrios para conectar todas as estaes,

    na topologia barramento apenas um nico cabo backbone lanado no ambiente

    da rede se torna todo o recurso necessrio interligao dos dispositivos. Para

  • 52

    se conectarem ao barramento, as estaes necessitam apenas do mnimo

    comprimento de cabo necessrio para atingir o ponto mais prximo do

    barramento (FOROUZAN, 2006).

    Suas demais vantagens:

    Fcil manuteno;

    Fcil construo ao nvel de hardware;

    Nmero ilimitado de dispositivos que podem ser conectados ao

    barramento;

    Baixo custo;

    Facilidade de deteco e resoluo de problemas na rede devido ao

    fato das conexes entre um dispositivo e a rede serem independentes, ou seja,

    problemas em uma conexo no afeta as demais.

  • 53

    2.2 Redes de barramento de campo

    Simultaneamente ao crescimento do uso das redes locais (LAN Local

    rea Network) em escritrios e ambientes administrativos, foram desenvolvidas

    redes industriais em ambientes fabris, denominadas barramentos de campo, ou

    simplesmente Fieldbuses. Pode-se dizer que o Fieldbus uma LAN para

    ambientes industriais (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

    A figura 12 a seguir d a idia de uma hierarquia da planta industrial.

    Uma rede Fieldbus, tipicamente, uma rede digital, serial, half-duplex,

    multiponto, instalada num barramento srie, que conecta dispositivos de campo

    como CLPs, transdutores, atuadores e sensores. digital pelo fato das

    informaes serem transmitidas em formas de mensagens de acordo com as

    Figura 12 - Hierarquia da planta da rede de trabalho (SMAR, 2006).

  • 54

    camadas de comunicao definidas pelo protocolo escolhido; serial, pois as

    informaes so transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, pois a

    comunicao bidirecional, porm em uma nica direo a cada instante; e

    multiponto, pois permite a comunicao entre vrios equipamentos conectados

    a rede. A interligao desses equipamentos em rede permite o

    compartilhamento de recursos e base de dados, conferindo mais segurana

    aos usurios da informao, alm da execuo de funes simples de

    diagnstico, controle ou manuteno, e a comunicao bidirecional entre si

    atravs do barramento (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    A figura 13 apresenta, atravs de blocos, um barramento de campo

    interligando uma UCP aos dispositivos de E/S:

    F

    Dentre suas vantagens, a mais destacada a reduo nos custos com

    cabeamento. Com sua configurao em srie, necessita-se apenas de um cabo

    para a conexo dos equipamentos ao barramento de comunicao. Em

    contrapartida, os sistemas de cabeamento com fio paralelo convencional

    apresentam um custo elevado, dificuldades para mudanas e adequaes da

    rede, alm de maior demanda de tempo para as fases de projeto, instalao e

    manuteno.

    Figura 13 - Barramento de campo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

  • 55

    2.3 Sistemas centralizados e distribudos

    2.3.1 Sistemas centralizados

    Sistemas centralizados, basicamente, so sistemas de comunicao

    paralela mantidos numa nica sala ou regio da indstria. Neste sistema,

    vrios computadores compartilham um barramento em comum. Alguns dos

    sistemas mais comuns comercialmente so: UME, FUTUREBUS, S100 e

    MULTIBUS II. O barramento S100, muito utilizado na dcada de 1980, acabou

    sendo substitudo pelo General Purpose Interface Bus GPIB 488 da IEEE.

    (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

    As principais caractersticas desse sistema centralizado so:

    Cabeamento paralelo utilizando par tranado e topologia

    estrela.

    Transmisso de dados entre dispositivos (sensores e

    atuadores) e a Unidade de Controle na forma de sinais analgicos

    (4 a 20 mA) e digitais.

    A figura 14 apresenta, atravs de blocos, o esquema de um sistema

    centralizado:

  • 56

    Nos tipos de soluo a multicomputador, onde um computador de

    controle principal (mestre) toma conta do sistema global de controle e,

    computadores de controles secundrios (escravos) operam em nvel de

    atuador, h tarefas como comunicao com os nveis de controle superior,

    interpretao de comandos, operaes de sincronizao, coordenao de

    movimentos e clculos. J no nvel de atuador, suas tarefas so controle,

    processamento de sinais, medies e para manipular as tarefas conforme pr-

    determinado (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    Algumas de suas desvantagens so os altos custos de instalao e

    manuteno, devido grande quantidade de dispositivos de entrada e sada e

    as longas distncias usuais nas indstrias, e falta de flexibilidade do sistema

    para extenses ou modificaes da rede (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

    Figura 14 - Controle centralizado (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

  • 57

    2.3.2 Sistemas distribudos

    Nos sistemas distribudos, desenvolvidos justamente para superar as

    desvantagens dos sistemas centralizados, os dispositivos de entrada e sada

    esto espacialmente distribudos por toda a planta industrial, e se comunicam

    com a estao de controle atravs de um barramento de campo.

    Esse barramento serial minimiza a complexidade de instalao e

    manuteno dos cabeamentos ponto-a-ponto paralelos, especialmente em

    grandes instalaes. Desse tipo de rede vem o nome Fieldbus (barramento de

    campo) (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

    As principais caractersticas deste sistema so:

    Controle das tarefas centralizado.

    Transmisso digital de dados em uma topologia de barramento.

    Padres RS-232, RS-422 ou RS-485 para transmisso.

    Inteligncia distribuda, utilizando microcontroladores ao longo

    do barramento.

    Reduo de cabeamento e custos de instalao.

    Unidades de conexo (gateways, bridges, repeaters).

    A figura 15 apresenta, atravs de blocos, o esquema de um sistema de

    controle distribudo:

  • 58

    2.3.2.1 SDCD Sistema Digital de Controle Distribudo

    O Sistema Digital de Controle Distribudo composto por um conjunto

    integrado de dispositivos que se completam na realizao das tarefas

    destinadas ao controle e supervisionamento de um processo produtivo.

    considerado uma pea-chave da automao industrial, controlando processos

    com o intuito de otimizar a produtividade industrial, minimizar os custos de

    produo, aumentar a qualidade dos produtos, garantir maior preciso e

    segurana nas operaes, entre outros (THOMAZINI, et al., 2009).

    Atravs de processadores, redes redundantes e unidades remotas ao

    longo da planta (ECLs), o sistema SDCD permite uma descentralizao do

    processamento de dados e tomadas de decises. Alm disso, oferece uma

    interface homem-mquina (IHM) que permite a interao com controladores

    lgicos programveis (CLP), controladores PID, equipamentos de comunicao

    digital e sistemas de rede fieldbus.

    Figura 15 - Sistema de controle distribudo (BURIAN e YAMAGUSHI, 2005).

  • 59

    2.3.2.1.1 Princpio de funcionamento e aplicaes do SDCD

    Os SDCDs so conectados a sensores e atuadores e usam controle

    por setpoint para controlar o fluxo de material atravs da planta. Um exemplo

    comum consiste em um sensor de presso, um controlador e uma vlvula de

    controle. A medio da presso enviada ao controlador e, quando este valor

    alcana um determinado ponto mximo (pr-estabelecido no sistema), o

    controlador induz a vlvula ou atuador a abrir ou fechar at que a presso

    atinja o valor do setpoint.

    Os dispositivos de E/S podem estar inclusos no controlador ou

    remotos, espalhados pela rede fieldbus. Essa rede pode ser tanto de par

    tranado, coaxial ou de fibra ptica. Um servidor ou processador de aplicaes

    pode ser incluso no sistema com o intuito de adicionar capacidade

    computacional extra, assim como de coleta de dados e gerao de relatrios.

    Os controladores digitais distribudos por funo ou localizao

    geogrfica, so capazes de executar de 1 a 256 funes de controle em uma

    caixa de controle.

  • 60

    2.4 Comparao entre mestre e escravo

    As estaes mestre (master) e escravo (slave) possuem funes

    distintas dentro de uma rede. O mestre tem como principal funo controlar a

    rede de comunicao e concentrar os dados do sistema. O mestre funciona

    ainda como interface de operao remota e interface com sistemas de controle

    supervisrios. Alm disso, ele permite a comunicao com outros nveis da

    rede; realiza a interpretao dos comandos de rede e realiza a sincronizao

    do sistema, bem como, a coordenao da rede e clculos matemticos

    complexos (FOROUZAN, 2006).

    O escravo tem por funo receber as informaes do mestre e

    execut-las da melhor forma possvel, atuando em tarefas localizadas. Alm

    disso, pode realizar processamento dos sinais, efetuar medidas e manipular

    eventos de forma pr-determinada (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

    Na prtica, os escravos podem ter as caractersticas tcnicas do

    mestre, mas no podem se comunicar com os outros escravos, nem com nveis

    mais altos da rede. Outros escravos no possuem processamento local

    (escravos burros), muitas vezes chamados de RTU (Remote Terminal Unit)

    (FOROUZAN, 2006).

  • 61

    2.5 Sistemas Proprietrios e Sistemas Abertos

    As primeiras solues para redes de campo, nos anos 80, eram

    proprietrias e mantinham o cliente amarrado a um nico fornecedor (BURIAN

    e YAMAGUSHI, 2005).

    Com o passar do tempo, os clientes passaram a exigir a

    interoperabilidade entre equipamentos de diversos fabricantes, ou seja, a

    utilizao de redes abertas padronizadas, com o intuito de proteger seus

    investimentos. Da comeou a surgir organizaes mistas (governo, usurios e

    fabricantes) que tinham por objetivo definir as normas para as redes de campo

    ou tecnologias Fieldbus (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    A criao dessas redes de campo abertas e padronizadas h pouco

    mais de uma dcada, significou uma evoluo considervel, possibilitando a

    migrao de sistemas centralizados para distribudos, com diversas vantagens

    associadas (ALBUQUERQUE, et. al., 2009), tais como:

    Distribuio da inteligncia pelos dispositivos de campo,

    reduzindo a carga de processamento da UCP (Unidade Central de

    Processamento).

    Interoperabilidade entre equipamentos produzidos por

    fabricantes diferentes, evitando que o cliente se prenda a um

    nico fornecedor (proteo do investimento).

    Disponibilidade de diagnsticos avanados fornecidos pelos

    dispositivos de campo inteligentes.

  • 62

    2.6 Controles de Processos Industriais

    Achar uma definio curta e exata para o termo Controle de Processo

    trata-se de uma tarefa difcil, at mesmo para os especialistas no assunto,

    devido ao fato do controle de processos depender de muitos aspectos de

    projeto e de operao da planta industrial (BUENO, [199-]). Por isso, dentre as

    vrias definies, podemos considerar que controle de processos significa:

    Manter os processos industriais ativos e estveis, dentro de

    seus pontos operacionais mais eficientes.

    Prevenir condies instveis do sistema, as quais poderiam

    colocar em perigo pessoas e/ou equipamentos.

    Visualizar e analisar dados dos processos da planta para que

    os operadores possam manter os mesmos em ritmo seguro e

    eficiente.

    O processo de automao utiliza, basicamente, dois tipos de controle:

    controle em malha aberta e controle em malha fechada.

    2.6.1 Controle em malha aberta

    Neste tipo de sistema de controle, um sinal de controle pr-

    determinado aplicado, esperando-se que ao final de um determinado tempo a

    varivel controlada atinja um determinado valor ou apresente um determinado

    comportamento (THOMAZINI, et. al., 2009).

    No h realimentao do sinal de entrada atravs da sada do

    processo, ou seja, no h informaes sobre a evoluo do processo para

  • 63

    determinar o sinal de controle a ser aplicado em um determinado instante

    conforme apresenta a figura 16:

    Resumindo, as caractersticas bsicas de um sistema de controle que

    opera em malha aberta so: impreciso, inexistncia de adaptao a variaes

    externas (perturbaes), dependncia do julgamento e da estimativa do

    operador. Entretanto, estes sistemas so, em geral, simples e baratos, pois no

    compreendem equipamentos sofisticados para a medio e/ou determinao

    do sinal de controle (BUENO, [199-]).

    2.6.2 Controle em malha fechada

    No controle em malha fechada ocorre a realimentao da sada para a

    entrada, o que possibilita a utilizao das informaes sobre a evoluo da

    sada de controle para a determinao do sinal de controle que deve ser

    aplicado ao processo, em um instante especfico (BUENO, et. al., [199-]). Ou

    seja, o sinal de sada comparado a um sinal de referncia (mais conhecido

    como set point), e o desvio (erro) entre esses dois sinais utilizado para

    determinar o sinal de controle que deve efetivamente ser aplicado ao processo.

    Dessa forma, o sinal de controle determinado com o intuito de corrigir esse

    desvio entre a sada e o sinal de referncia. O dispositivo que utiliza o sinal de

    erro para determinar ou calcular o sinal de controle a ser aplicado planta

    Figura 16 - Controle em malha aberta (BUENO, [199-]).

  • 64

    chamado de controlador ou compensador. A figura 17 apresenta o diagrama

    bsico de um sistema de controle em malha fechada:

    A equao 1 apresenta a funo transferncia do sistema da figura 17:

    =

    =

    +

    (Equao de funo transferncia 1)

    De fato, um sistema de realimentao, ou seja, um controle em malha

    fechada possibilita:

    Aumento da preciso do sistema.

    Proteo contra o efeito de perturbaes externas ao sistema.

    Maior dinamismo ao sistema e, eventualmente, estabilizao

    de um sistema naturalmente instvel em malha aberta.

    2.6.3 Aplicao das redes Fieldbus em controles de processos

    industriais

    A informao sobre o estado do processo adquirida pelos sensores

    na entrada do controlador; o mesmo a processa e gera os sinais de sada, que

    so enviados para os atuadores.

    O tempo de resposta de um controlador depende do tempo de

    transporte da informao e do tempo de processamento. Este tempo de

    resposta chamado de ciclo de varredura (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).

    Figura 17 - Controle em malha fechada (BUENO, [199-]).

  • 65

    Um sistema Fieldbus deve manipular os dados de entrada e sada

    simultaneamente, de modo a reduzir este ciclo de varredura do sistema. O

    diagrama deste ciclo de varredura demonstrado na figura 18:

    Figura 18 - Diagrama do ciclo de varredura (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).

  • 66

    2.7 Caractersticas e meios de transmisso de redes industriais

    2.7.1 Principais padres de interface de comunicao serial

    Os padres para interface serial especificam as caractersticas

    eltricas, mecnicas e funcionais dos circuitos entre dois equipamentos e

    determinam nomes, nmeros e fios necessrios para se estabelecer a

    comunicao. Estes padres so estabelecidos pela TIA (Telecomunications

    Industry Association) e pela EIA (Eletronic Industries Alliance)

    (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

    2.7.1.1 Padro RS-232

    Sem dvidas, trata-se do padro mais conhecido e utilizado em

    comunicaes seriais. Originado em 1969, foi desenvolvido para especificar as

    conexes entre terminais e modems. Emprega a transmisso de sinais

    desbalanceada e os fios bsicos para a transmisso so o Txd (Transmitted

    Data), o Rxd (Received Data) e o SG (Signal Ground) (ALBUQUERQUE, et al.,

    2009).

    Este padro limita-se a definir a camada fsica (modelo OSI), incluindo:

    Tipos de conectores: dois tipos de conectores so definidos,

    um com nove pinos (denominado DB-9) e outro com 25 pinos

    (denominado DB-25).

    Nveis de tenso: o padro define que as linhas devem

    possuir nveis de tenso referenciados ao pino Terra (Ground

    pino 7 no DB-25 ou pino 9 no DB-9), sendo considerado nvel

    lgico 0 (zero) quando a tenso positiva estiver entre o intervalo

  • 67

    de +5 V e +15 V para sada e entre +3 V e +15 V para a entrada,

    e nvel lgico 1 (um) quando a tenso negativa estiver entre -5 V e

    -15 V para a sada e -3 V e -15 V para a entrada.

    A figura 19 enumera e descreve a funo dos pinos dos conectores

    DB-25 e DB-9:

    A tabela 2 mostra os sinais tpicos em um conector RS-232. Muitos

    desses sinais so empregados apenas em comunicaes com dispositivos

    mais complexos, como no caso de modems externos. Nos processos mais

    simples de comunicao, apenas os pinos Txd e Rxd so utilizados.

    Figura 19 - Conectores padro RS-232: DB-25 e DB-9 (ALBUQUERQUE e ALEXANDRIA, 2009).

  • 68

    Tabela 2- Sinais padro RS-232 onde so apresentados os seguintes campos: (a) Nome do pino; (b) Descrio.

    Nome do pino (a) Descrio (b)

    TXD (Transmitted Data) Dados transmitidos pelo terminal RXD (Received Data) Dados recebidos pelo terminal RTS (Request to Send) Requisio de envio CTS (Clear to Send) Permisso de envio DSR (Data Set Ready) Dados prontos DCD (Data Carrier Detect) Detector de portadora DTR (Data Terminal Ready) Terminal de dados prontos

    Os dados so transmitidos pelo pino Txd e recebidos pelo pino Rxd.

    Mesmo a comunicao sendo assncrona, em geral, os pinos RTS, CTS, DTR

    e DSR so utilizados para garantir a sincronizao no incio da transmisso.

    As taxas de transmisso padronizadas para uma interface RS-232 so

    inferiores a 20 Kbps (4.8, 9.6 e 19.2 Kbps) e so limitadas a distncias

    menores que 15 metros. Entretanto, atualmente j existem verses comerciais

    capazes de transmitir a maiores taxas em cabos que permitem alcanar

    distncias maiores do que as originalmente padronizadas (BURIAN e

    YAMAGUCHI, 2005).

    2.7.1.2 Padro RS-485

    O padro RS-485 baseado na transmisso diferencial de dados, ideal

    para transmisso em altas velocidades, longas distncias e em ambientes

    propcios a interferncias eletromagnticas (MELO, 2007).

    H apenas um par de fios para transmisso e recepo que deve ser

    compartilhado. A grande vantagem, sem dvida, a possibilidade de se

    interligar vrios equipamentos que podem se comunicar entre si atravs do

    mesmo cabo, ao contrrio dos outros padres, nos quais s permitido haver

    um dispositivo em cada uma das extremidades do cabo (ALBUQUERQUE e

    ALEXANDRIA, 2009).

  • 69

    Suas caractersticas bsicas so: transmisso diferencial balanceada;

    caracterstica multiponto; existncia de apenas uma fonte simples de +5 V para

    alimentar os circuitos de transmisso e recepo; transmisso de dados em

    modo comum com tenses de -7 V a +12 V; capacidade para at 32

    participantes (cargas); transmisso de dados em at 10 Mbps em uma

    distncia mxima de 12 metros; distncia mxima de 1200 metros em 100

    Kbps.

    Quanto topologia, o RS-485 definido como um barramento

    multiponto (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005).

    Mas isso no uma regra. As estruturas em anel e em estrela tambm

    podem ser utilizadas, mesmo no sendo aconselhveis. A estrutura em anel

    porque precisaramos de dois circuitos RS-485 para cada n (comunicao

    ponto a ponto entre os equipamentos vizinhos), o que a torna uma estrutura

    cara e trabalhosa de ser montada. A estrutura em estrela porque todos os ns

    esto nas extremidades da rede, o que faz com os stubs tenham uma distncia

    muito grande, causando problemas de reflexo dos sinais de dados

    (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    Um stub a distncia entre o n e o bus de dados, ou entre o n e o

    resistor de terminao. A norma RS-485 requisita um menor comprimento

    possvel para os stubs. A regra geral que o stub deve ser menor que 1/3 do

    tempo de transmisso. Por isso que transmisses mais lentas permitem stubs

    maiores e transmisses mais rpidas stubs menores (BURIAN e YAMAGUCHI,

    2005).

  • 70

    Quanto terminao, o padro estipula um resistor de 120 ohms em

    paralelo com os ns da extremidade do barramento. Isso d ao cabo uma

    impedncia que varia de 100 a 120 ohms.

    Alm disso, o RS-485 foi projetado para ser imune a vrios tipos de

    falhas associadas ao ambiente no qual o cabo de comunicao est situado.

    Falhas como rudos eltricos (provenientes de induo eletromagntica) ou at

    mesmo diferena de potencial entre os pontos de aterramento dos ns

    (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    Na prtica, o RS-485 um padro de comunicao utilizado em redes

    robustas, sendo um dos mais utilizados na indstria nos dias de hoje.

  • 71

    2.8 Principais protocolos de comunicao Fieldbus

    2.8.1 Protocolo Profibus

    2.8.1.1 A origem

    Criado por um consrcio formado por quatro empresas e sete

    universidades, o Profibus teve sua primeira verso, o Profibus FMS (Fieldbus

    Message Specification), finalizado em 1989, baseado na European Fieldbus

    Standard EN 50170 e EN 50254 e pelo padro IEC 61158. Em 1993 foi

    desenvolvida uma verso mais simples e rpida, o Profibus-DP. A partir de

    ento, o Profibus tornou-se o principal sistema aberto para Fieldbus na Europa

    possuindo aceitao universal, com milhares de plantas em operaes, com

    mais de 6,5 milhes de ns instalados e com uma ampla oferta de

    fornecedores (ALBUQUERQUE, et al., 2009).

    O Profibus um protocolo que prov uma gama de solues para

    manufatura, com tarefas de comunicao mestre-escravos e perfis de

    aplicaes para a automao de processos, sistemas de segurana e

    aplicaes em controle de movimento (BURIAN e YAMAGUCHI, 2005). Dentre

    as reas de aplicao, incluem-se tambm o controle de processos industriais

    e a automao predial.

    2.8.1.2 Caractersticas bsicas

    Existem trs perfis Profibus:

    Profibus-DP (Decentralized Periphery): verso otimizada (de

    alta velocidade) do Profibus, desenvolvida especialmente para

  • 72

    comunicaes entre os sistemas de automao e equipamentos

    descentralizados (sensores e atuadores) conectados a

    processadores (CLPs) ou terminais.

    Profibus-PA (Process Automation): soluo Profibus para

    processos de automao. Conecta sistemas de automao e

    sistemas de controle de processo com os dispositivos de controle,

    tais como: controladores de presso, temperatura e transmissores

    nivelados.

    Profibus-FMS (Fieldbus Message Specification): soluo de

    padro de comunicao universal geralmente utilizada em nvel

    de controle, resolvendo tarefas complexas entre CLPs e DCSs.

    Recentemente, vem sendo substituda por aplicaes Ethernet.

    Todas as trs verses do Profibus (DP, FMS e PA) usam um protocolo

    padro de acesso ao barramento. Este protocolo implementado pelo modelo

    de referncia da 2 camada OSI, no Profibus chamada de Fieldbus Data Link

    (FDL). Dentro dela, o procedimento que permite a uma estao transmitir

    dados especificado pelo Media Access Control (MAC).

    O Profibus foi projetado com duas exigncias preliminares para o MAC

    (controle de acesso ao meio): durante uma comunicao entre sistemas

    complexos de automao (mestre) deve-se assegurar que cada uma dessas

    estaes tenha tempo suficiente para executar suas tarefas de comunicaes

    antes do tempo mximo definido. Por outro lado, a transmisso cclica de

    dados em tempo real deve ser realizada com rapidez e simplicidade, em uma

  • 73

    comunicao entre um CLP e seus dispositivos de E/S (escravos) (Burian, et

    al., 2005).

    Portanto, o protocolo de acesso ao barramento do Profibus inclui os

    procedimentos de passagem de ficha (token passing), usados por estaes

    ativas da rede (mestres) para se comunicar uns com os outros (figura 20), e o

    procedimento mestre-escravo (master-slave), usado por estaes ativas para

    se comunicarem com as estaes passivas, escravas (figura 21).

    F

    O token passing procedure ou procedimento de passagem de ficha

    garante o direito de acesso ao barramento atribudo a cada mestre dentro de

    um intervalo predefinido. Este direito chamado token ou ficha. A mensagem

    da ficha, um telegrama especial que passa direitos de acesso de um mestre

    para o seguinte, deve ser passada em token ring, uma vez que todos os

    mestres possuem um tempo mximo com o token (ALEXANDRIA, et al., 2009).

    O token ring a corrente de estaes ativas (mestres) que forma um

    anel lgico baseado em seus endereos de estao. O token passado de um

    Figura 20 - Comunicao Multi-Mestre (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP, 2006).

  • 74

    mestre ao prximo numa ordem especificada (endereos crescentes) (BURIAN,

    et al., 2005).

    F

    O procedimento mestre-escravo permite ao mestre (estao ativa), o

    qual possui atualmente o token de acesso aos escravos (estaes passivas),

    emitir mensagens aos escravos ou ler as respostas dos mesmos. Com este

    mtodo de acesso possvel executar as seguintes configuraes de sistema:

    Sistema puramente mestre-escravo;

    Sistema puramente mestre-mestre (com token passing);

    Uma combinao de ambos.

    A partir deste momento, acertaremos nosso foco na verso Profibus-

    DP por se tratar da utilizada em nosso estudo prtico, demonstrado no prximo

    captulo.

    Figura 21 - Comunicao Mestre-Escravo (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP, 2006).

  • 75

    2.8.1.3 Caractersticas do Profibus-DP

    O Profibus-DP foi projetado para a transmisso de dados em alta

    velocidade no nvel de dispositivo de campo. Assim, a comunicao entre as

    unidades centrais de processamento (CLPs, PCs) e seus dispositivos de

    controle distribudos (E/S, drivers, vlvulas, etc.) se d atravs de uma conexo

    de elevada velocidade de comunicao. Como um exemplo, o Profibus-DP

    requer somente 1 ms (microssegundo) para transmitir 512 bits de entrada e

    512 bits de sada, distribudos entre 32 estaes, em 12 Mbps (SMAR,

    Profibus).

    Est disponvel em trs verses: DP-V0 (1993), DP-V1 (1997) e DP-V2

    (2002). A origem de cada verso se deu de acordo com o avano tecnolgico e

    a demanda das aplicaes. A figura 22 a seguir descreve algumas das

    funcionalidades de cada verso.

    Figura 22 - Verses do Profibus-DP (PROFINEWS: Verses do Profibus-DP, 2006).

  • 76

    A verso DPV0 define uma comunicao cclica entre um mestre e

    seus escravos para transferncia de dados de E/S (escrita de sadas e leitura

    das entradas), e mtodos acclicos para os servios de configurao,

    parametrizao e diagnsticos. Alm disso, introduziu em todos os elementos

    um arquivo de configurao, com extenso GSD. Nele, esto contidas as

    caractersticas tcnicas de cada equipamento, e utilizado pela ferramenta de

    configurao do mestre da rede Profibus-DP.

    A verso DPV1 permitiu o uso de servios acclicos nas funes de

    parametrizao, calibrao, operao, visualizao e superviso dos

    equipamentos de campo em conjunto com a comunicao cclica em qualquer

    momento.

    A verso DPV2 permitiu a comunicao publisher-subscriber (figura 23)

    entre os escravos, isto , o que determinado escravo publica em broadcast

    pode ser captado por outros escravos, permitindo comunicao direta entre os

    escravos sem intermediao do mestre. Essa tcnica deliberou grandes

    ganhos em tempos de resposta e possibilidade de intertravamento direto