Escola Politécnica da USP Pós-Graduação em Sistemas Eletrônicos

PSI5000 – Vida Artificial em Ambientes Virtuais

Nome: Cristiano Rayer Brasil Data: 06.05.2004

Protocolos de Comunicação para Equipamentos de Refrigeração e Ar

Condicionado -

Monografia

Professor Márcio Lobo Netto

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1. Apresentação

Este trabalho tem como objetivo, apresentar uma análise dos protocolos de comunicação, usados entre as principais empresas de HVAC-R do mundo e, demonstrar as possíveis formas de comunicação entre estes protocolos com sistema de gerenciamento global.

Foram pesquisadas as maneiras que os protocolos conversam com

sistemas de gerenciamento predial, os tipos e a variação de modelos, afim de propor idéias para comunicação entre estes protocolos e os diversos gerenciadores.

Por fim, comentar um pouco sobre a rede Ethernet e Arcnet, a qual,

todos protocolos se interligam com as redes locais hoje. Foram pesquisados os três maiores fabricantes de ar condicionado do

mundo, Carrier Corporation, Trane Corporation e York International. Estas empresas fabricam todos os tipos de equipamentos de ar condicionado existentes hoje ao mercado, usam componentes eletrônicos de operação e comunicação que necessitam usar protocolos de comunicação para se interoperalizar com os gerenciadores prediais.

A pesquisa será apresentada por tópicos, para uma melhor

demonstração de como os protocolos trabalham, os padrões utilizados pelos fabricantes envolvidos nesta pesquisa e os modelos utilizados hoje.

2. Conceituação

Para a compreensão deste teste algumas siglas e definições se fazem necessários para que o leitor possa interpretar este texto de forma satisfatória.

2.1 Algumas Siglas e definições importantes

Gateway: é um computador usado que interconecta redes em um nível superior a brigdes e roteadores, estendendo-se da camada de rede até a camada de aplicação. Um gateway, faz roteamento de datagramas IP entre redes que estão conectadas a ele.

Baud: é a unidade de velocidade de sinalização. A velocidade em bauds é o

número de mudanças na linha de transmissão (seja em freqüência, amplitude, frase, etc) ou eventos por segundo. Em baixas velocidades, cada evento representa apenas uma condição de bit, e a taxa em bauds é igual ao valor em bps (bits por segundo). Para velocidades mais elevadas, cada evento representa mais que um bit, e a taxa em bauds não segue o valor em bps.

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ASHRAE: American Society of Heating Refrigerating and Air Conditioning Enginners, Inc.

NSIT: National Institute of Stardards (USA)

ANSI: American National Standards Institute, é o órgão principal responsável pelo desenvolvimento de padrões nos Estados Unidos. ANSI é uma instituição não governamental sem fins lucrativos, patrocinada por organizações do comércio, sociedades profissionais e pela industria. É o membro americano de organização de padrões internacionais (ISO).

API: Aplication Program Interface, é o conjunto normatizado de rotinas e chamadas de software que podem ser referenciadas por um aplicativo para acessar serviços essenciais de uma rede.

ASCII: American Stardard Code for Information Interchange, é o código binário que consiste em 7 bits de dados mais 1 bit de paridade ou símbolos especiais. Estabelecido pela ANSI para compatibilidade de dados.

HVAC: Heating, Ventilation and Air Conditioning

3. Proposição

Os protocolos começaram a operarem como automação de edifícios na década de 70, quando algumas instaladas nos Estados Unidos começaram a implantar um sistema de controle.

Até este período o que existia no mercado era um controle “burro”, por

contatos remotos.Tinham como característica ligar e desligar os equipamentos, através de contatos (on/off), instalados a certas distancias dos equipamentos, evitando que os operadores tivessem que percorrer grandes distancias dentro do edifício.

Isto causava alguns incidentes, como problemas com equipamentos que

não ligavam, queimavam, tubulações estouravam por alguém ter esquecido válvulas fechadas e outras mais que levavam a prejuízos.

Foi quando as associações comerciais americanas começaram a sentir a

necessidade de implantar melhores controles para o monitoramento de pontos importantes no funcionamento dos seus equipamentos.

A partir daí, os protocolos começaram a ser implantados e, desde então,

muitas empresas começaram a projetar protocolos próprios ou a produzir produtos para operarem nas linguagem que vieram a ser comercializadas.

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O que é um protocolo?

Protocolo: Registro dos atos públicos, Registro das audiências nos

tribunais, Formulário regulador de ato público (Dicionário Aurélio)

Protocolo: é um conjunto de conversões que governa a formação e temporização relativa de intercâmbio de mensagens entre dois sistemas de comunicação.

Protocolo: é um conjunto de regras de etiquetas e condutas usadas por

diplomatas e chefes de estado para auxiliá-los nos trabalhos conjuntos.

Protocolos de Comunicação Proprietários

São protocolos desenvolvidos para o uso de companhia. São usados para

trocar informações entre computadores internos e os que utilizam microprocessadores baseados neste produto. São produtos privados não disponíveis a outros.

Protocolos de Comunicação Aberto

São protocolos desenvolvidos por uma companhia para troca de informações entre seus computadores internos e os que utilizam microprocessadores baseados neste produto. São produtos privados, como os protocolos privados, porém, estão disponíveis a outras empresas para troca de comunicação entre si.

Protocolos de Comunicação Padrão

São protocolos aberto, adaptados para um padrão industrial. Todos os computadores destas companhias que usam estes protocolos são capazes de trocar informações com este padrão. As especificações para protocolos são, normalmente criadas por Associações Industriais, que visam criar soluções para as necessidades da empresa que representam.

Protocolos existentes no mercado

Existem hoje no mercado diversas BAS Companies (Basic Automation System). São empresas que produzem, dentre outro produtos, protocolos de comunicação. Todas elas são membros de associações regulamentadoras e trabalham com diversos tipos de protocolos. Muitas delas possuem chamados Protocolos Proprietários, que estão sendo deixado de lado aos poucos, pois o mercado atual começou a impor pelo fator custo x benefício à utilização de protocolos abertos.

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Quando utilizam sistemas integradores com protocolos fechados, as

companhias ficam forçadas a comprar conversores para “abrir” a comunicação com equipamentos existentes em seus edifícios.

Carrier Corporation

A Carrier Corporation possui um sistema gerenciador chamado CNN (Carrier Confort Network) que possibilita a interoperabilidade de seus equipamentos e de outros fabricantes, assim com o controle predial, com a rede de comunicação do edifício.

Seu software conversa diretamente com seus equipamentos e, com equipamentos de outros fabricantes, através do protocolo BAC NET. As placas com protocolos Bac Net da Carrier possuem, em média, 360 canais distribuídos em até 15 controladores CNN. Estes canais são dados de informação de status ou ordens de execução, além de sensores, transdutores, etc. Este protocolo é chamado de BAC LINK. Existe um modelo diferente de placa com o protocolo BAC NET para cada tipo de equipamento (Recíproca, Alternativo, Centrífugo e Absorção) vão desde uma placa “aberta” até módulos blindados que só podem ser reparados em fábrica. O BAC LINK faz a conversão do meio de controle com a rede Ethernet usando um conversor RS485 ou RS232. Os conversores RS485 são transmissores/conversores de dois fios que podem ficar até 1Km do computador do cliente, já os conversores RS232 possuem 3 fios e podem ficar, no máximo, a 15 metros do computador.

Trane Corporation

A exemplo da Carrier Corporation, a Trane Corporation também possui

um sistema gerenciador chamado ICS (Integrade Control System), que possibilita também a interoperalidade de seus equipamentos e de equipamentos de outros fabricantes e controle prediais com a rede de comunicação do edifício, porém é a única que comporta a divisão de controle de equipamentos de HVAC e predial.

Seu software conversa com seus equipamentos e com outros

fabricantes, através do protocolo BAC NET. Este protocolo tem o nome de Tracer100i e possui 240 canais

distribuídos em,até, 10 canais. A Trane possui uma rede de placas eletrônicas que se diferem

fisicamente , de acordo com o modelo de seus equipamentos.

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O Tracer100i também faz a conversão/transmissão de dados com

conversores RS485 e RS232. York International

A York não possui um software próprio gerenciador de edifício. Ela usa o

Indusoft Web Studio e o Elipse Scada, porém nenhum deles possuem uma interface de navegação como as dos seus concorrentes.

Ao contrário dos seus concorrentes, a York trabalha com vários protocolos de inúmeros fabricantes, permitindo que seus equipamentos se adaptem mais facilmente a controles prediais. Até 1995 is chillers York não possuiam saídas para transmissões de dados internos aos seus quadros de controle. Era então necessário um módulo externo, denominado Link Chiller. Este módulo era exclusivo para o tipo de equipamento e era vendido ao mercado com o nome de York Talk, com uma licença obtida pela York em 1988. Em 1995, mesmo ano que foram liberadas as especificações do protocolo BAC NET, a York lançou um modelo de placa padrão que só necessita a substituição de módulos externos. O software York também transmite dados à rede externa através de conversores RS485 e RS232. A maioria dos conversores opera com o conversor RS485, possibilitando uma maior flexibilidade na instalação.

Protocolos York

ISN Microgateway

É um protocolo de propriedade York. Trabalha com conversores RS485, possibilidade a interface entre chillers York e outros York ISN ou com o protocolo N2 da Johnson Control. O ISN pode operar com um BAS (Building Automotion System).

Quando usado pode ser configurado com um ponto de conexão de

instrumentos usando comunicações com interface ASCII.

Vantagens: Oferece integração entre todos os padrões de comunicação York Talk. Faz a transferência de sinais analógicos e digitais para outros ISN’s. Integra os chillers York diretamente ao protocolo N2 Open da Johnson Control. Integra chillers York ao BAS via uma interface ASCII.

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MicroGateway ASCII

Mais usado nos equipamentos antigos, permite que um chiller York se

comunique com instrumentos que sejam compatíveis com o ASCII, via uma porta RS232.

Quando dois ou mais Microgateways ASCII são conectados juntos em

uma rede, um terceiro instrumento pode comandar dados de operação de um chiller York, como set point, start/stop, etc.

Instrumentos terceiros, em sistemas de controle, comunicando com o

Microgateway ASCII devem ser capazes de enviar uma coleção, pré-definida, de caracteres ASCII para controlar os chillers tão bem quanto a solicitação de dados. Eles devem também ser capazes de entender o caractere de retorno para interpretar o dado.

MicroGateway ModBus

Este protocolo é muito usado e é um dos mais vendidos do setor de HVAC. Porém, foi sempre foi utilizado tanto para sistemas comerciais como para industriais.

Desenvolvido na década de 70 para suprir a necessidade de

interoperabilidade entre sistemas, antes mesmo que se popularizá-se os sistemas de Automação Predial.

Devido sua longetividade, muitos instrumentos fabricados foram

incorporados em seus dispositivos. O Microgateway ModBus usa a mobilidade de transmissão popular RTU sobre uma rede RS485.

Os chillers York podem ser monitorados, localmente ou remotamente,

usando sistemas ModBus. Data Brigde for BacNet

O Data Brigde para BacNet são dispositivos econômicos de comunicação,

que fornecem uma conexão segura entre o protocolo York ISN e protocolo de Ethernet para Bac Net.

São instrumentos totalmente configuráveis que interpretam o protocolo

York ISN dentro de uma arquitetura de comunicação aberta BacNet.

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O Data Brigde para BacNet pode ser usado para integrar uma

variedade de equipamentos York que suportam o protocolo ISN dentro de uma rede BacNet. Os chillers York podem ser controlados e monitorados de uma rede BacNet quando os dados são expressos como variáveis ISN, usando o BacNet Data Brigde Microgateway. Outras peças de equipamentos que instrumentos ISN podem ser conectados diretamente sem a necessidade de instrumentos de tradução.

BacNet

É o protocolo mais utilizado no mercado de automação predial. Conecta

os chillers York que suportam a interface de comunicação BacNet e uma rede BacNet e consegue gerenciar chillers com diferentes protocolos, usando placa de comunicação dos painéis York.

O protocolo BacNet possibilita o controle, local ou remotamente, de

equipamentos que utilizam o protocolo BacNet.

Mercado hoje

AAss IInnddúússttrriiaass ddee ccoonnttrroolleess eessttããoo eexxppeerriimmeennttaannddoo uumm nnoovvoo ttiippoo ddee pprroottooccoollooss ppaaddrrããoo qquuee iirrããoo ssuubbssttiittuuiirr ooss pprroottooccoollooss pprroopprriieettáárriiooss..

OOss úúllttiimmooss PPrroottooccoollooss PPaaddrrããoo llaannççaaddooss ffoorraamm oo LLoonn TTaallkk,, ddeesseennvvoollvviiddoo

ppeellaa EEcchheelloonn CCoorrppoorraattiioonnss ee oo BBAACCNNEETT,, ppaattrroocciinnaaddooss ppeellaa AASSHHRRAAEE AAssssoocciiaattiioonn..

OOss pprroottooccoollooss ffoorraamm ccrriiaaddooss ppaarraa aatteennddeerr ooss ddeesseejjooss ddee pprroopprriieettáárriiooss ddee eeddiiffíícciiooss eemm ppooddeerr ssee iinntteerrccoommuunniiccaarr ccoomm ooss vváárriiooss ttiippooss ddee ccoonnttrroolleess eelleettrrôônniiccooss eexxiisstteenntteess.. 44.. RReessuullttaaddooss ee AAnnáálliisseess

FABRICANTE PROTOCOLO VELOCIDADE CONVERSOR SOFTWARE PRÓP.TRANE BACnet 9600 bps RS232/RS485 SIM CARRIER BACnet 9600 bps RS232/RS485 SIM YORK BACnet 9600 bps RS485 NÃO YORK YORK ISN 1200/4800 bps RS232/RS485 YORK ASCII 1200 bps RS232 YORK MODBUS 4800 bps RS232 YORK LON MARK 4800 bps RS232/RS485 YORK N2 OPEN 4800 bps RS232/RS485

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Comparação A Carrier Corporation possui um software próprio de gerenciamento

predial (Carrier Confort Network – CCN), utiliza somente o protocolo BACnet. Seus módulos podem suportar até 15 controladores com 24 canais cada. Faz conversão para a rede Ethernet usando placas RS485/RS232. Possui um modelo diferente de placa para cada tipo de equipamento.

A Trane Corporation possui um software próprio de gerenciamento

predial, o Integrade Control Systens (ICS), que utiliza somente o protocolo BACnet. Seus módulos podem suportar até 10 controladores com 24 canais cada. Faz conversão para a rede Ethernet usando placas RS485/RS232. Possui um modelo diferente de placa para cada tipo de equipamento.

A York Internacional não possui um software próprio de gerenciamento

predial. Utiliza diversos protocolos que tem possibilidade de comunicação com todos os sistemas existentes no mercado, sem a necessidade de adquirir um protocolo específico. Possui módulos que suportam de 5 a 14 canais de 24 canais cada que possuem um padrão de placa para seus equipamentos, sendo necessária somente a troca da Epron, para alterar o protocolo. Faz conversão com a rede Ethernet em duas opções, RS485/RS232 ou RS485. A partir de 1995, lançou um modelo único de placa de controle para todos os seus modelos de equipamentos.

Podemos ver que existe uma homogeneidade entre os principais

fabricantes de ar condicionado. O que pode diferenciá-las são os detalhes pois, em qualidade, padrão, tecnologia, todas são muito semelhantes.

As empresas Carrier e Trane possuem bons softwares para automação

predial, porém seus equipamentos não podem ser comunicar com sistemas de automação que não possuem um protocolo BACnet, enquanto a York, apesar de não possuir um software próprio, possui uma homogeneidade em seus modelos de placas e Eprons que tornam qualquer uma delas aptas a se comunicarem com qualquer tipo de software, usando qualquer protocolo.

Conhecimento de Redes Arcnet

A Arcnet é uma arquitetura de rede antiga, que existe desde a década de 70. É claro que de lá pra cá houveram avanços, mas não o suficiente para manter as redes Arcnet competitivas frente às redes Ethernet e outras tecnologias modernas. Para você ter uma idéia, as redes Arcnet são capazes de transmitir a apenas 2.5 mbps e quase não existem drivers for Windows para as placas de rede. Os poucos que se aventuram a usá-las atualmente normalmente as utilizam em modo de compatibilidade, usando drivers MS-DOS antigos.

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Atualmente as redes Arcnet estão em vias de extinção, você não

encontrará placas Arcnet à venda e mesmo que as consiga, enfrentará uma via sacra atrás de drivers para conseguir fazê-las funcionar, isso se conseguir.

Ethernet

Ethernet é a interface mais utilizada no âmbito das redes locais LAN (Local Area Network) de máquinas interconectadas em uma área limitada, que pode ser um escritório, uma empresa ou uma universidade. Ethernet baseia-se em um bus a que várias máquinas podem conectar-se e a comunicação ocorre sempre entre dois nódulos (nodes) por vez. Quando vários pares de nódulos tentam comunicar-se ao mesmo tempo, verifica-se um conflito e os pares procurarão comunicar-se de novo ao fim de um prazo (timeout). O termo técnico utilizado para esse procedimento é CSMA/CD (Carrier Sense w/ Multiple Access and Collision Detection).

Inicialmente o hardware Ethernet consistia em um grosso cabo (amarelo) que era ligado às máquinas usando conectores especiais que furavam a camada de proteção externa do próprio cabo. Posteriormente chegou o tipo 10base5, que usava conectores do tipo BNC para inserir em conectores especiais em T da própria máquina, com terminais em ambas as extremidades da linha. Hoje o bus ethernet está contido dentro dos comutadores (switches) e dos hubs, e os cabos são do tipo twisted pair, dando o nome a este tipo de interface: 10baseT para as redes a 10 Mbit/s e 100baseT para as redes a 100Mbit/s. Nas redes configuradas com switch distinguem-se os dois casos em que a comunicação entre nódulo e switch ocorre em modo full-duplex ou half-duplex.

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5. Conclusão Hoje os equipamentos de ar condicionado possuem uma padronização

muito grande. Os componentes, as tecnologias são muito semelhantes. O que faz com que as empresas ganhem concorrências são os detalhes. Se o projeto prevê uma automação predial, vários fatores podem definir que irá vender seu equipamento.

Dificilmente os fabricantes de equipamentos de ar condicionado conseguem vender seus pacotes de automação, devido à automação predial controla muitos equipamentos, além do sistema de ar.

Entre estas empresas, podemos destacar a York por possuir protocolos

que podem trocar dados com qualquer um existente no mercado.

6. Referências

Translators & Integration Products Sales/Engineers Manual - York International Ltda

Speaking the Same Language – Carrier Corporation Sistema de Gestão de Edifícios – Trane Corporation www.york.com www.yorknbrasil.com.br www.carrier.com www.springer.com.br www.trane.com www.trane.com.br www.guiadohardware.net

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