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Índice
1.1 - Introdução...........................................................................................................................2
1.2 - Modbus...............................................................................................................................3
1.2.2 - Variações...................................................................................................................4
1.2.2.1 - Modbus RTU....................................................................................................4
1.2.2.2 - Modbus ASCII..................................................................................................5
1.3 - PROFIBUS.........................................................................................................................6
1.3.1 - PROFIBUS DP........................................................................................................7
1.3.1.2 - Versões do PROFIBUS DP..............................................................................7
1.3.1.2.1 - O DP-V0................................................................................................7
1.3.1.2.2 - O DP-V1................................................................................................8
1.3.1.2.3 - O DP-V2................................................................................................9
1.3.2 - PROFIBUS PA..................................................................................................10
1.4 - Conclusão.........................................................................................................................12
1.5 - Referências.......................................................................................................................13
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1.1 - Introdução
Em meados de 1960 o sinal analógico de 4-20mA (miliampére) foi introduzido para realizar o
controle de dispositivos industriais. Aproximadamente em 1980, os sensores inteligentes
começaram a ser desenvolvidos e implementados usando um controle digital. Isso motivou a
necessidade de integrar vários tipos de instrumentações digitais em campos de comunicações,
visando otimizar a performance dos sistemas. Dessa forma se tornou óbvio que um padrão era
necessário para formalizar o controle dos dispositivos inteligentes. Tal tecnologia é usada na
indústria para substituir o sinal analógico de 4-20 mA (miliampére). O termo fieldbus abrange
muitos diferentes protocolos para redes industriais. Neste trabalho trataremos dos protocolos
Modbus, Profibus DP e Profibus PA.
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1.2 - Modbus
Modbus é um protocolo de comunicação de dados utilizado em sistemas de automação
industrial criado na década de 1970 pela Modicon. É um dos mais antigos protocolos
utilizados em redes de Controladores lógicos programáveis (PLC) para aquisição de sinais
de instrumentos e comandar atuadores. A Modicon (atualmente parte do grupo Schneider
Electric) colocou as especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. Por
esta razão é utilizado em milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede
mais baratas a serem utilizadas em Automação Industrial.
O modbus utiliza o RS-232, RS-485 ou Ethernet como meio físico. O mecanismo de controle
de acesso é do tipo mestre-escravo ou Cliente-Servidor. A estação mestre (geralmente um
PLC) envia mensagens solicitando dos escravos que enviem os dados lidos pela
instrumentação ou envia sinais a serem escritos nas saídas para o controle dos atuadores. O
protocolo possui comandos para envio de dados discretos (entradas e saídas digitais) ou
numéricos (entradas e saídas analógicas).
Figura 1 - Mestre e escravos
A imagem acima mostra um exemplo de rede Modbus com um mestre (PLC) e três escravos
(módulos de entradas e saídas, ou simplesmente E/S). Em cada ciclo de comunicação, o PLC
lê e escreve valores em cada um dos escravos. Como o sistema de controle de acesso é do tipo
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mestre-escravo, nenhum dos módulos escravos inicia comunicação a não ser para responder
às solicitações do mestre.
Basicamente, uma comunicação em Modbus obedece a um frame que contém o endereço do
escravo, o comando a ser executado, uma quantidade variável de dados complementares e
uma verificação de consistência de dados (CRC).
Exemplo-1: Se o PLC precisa ler as 10 primeiras entradas analógicas (do endereço 0000 ao
0009) no módulo 2. Para isso é preciso utilizar o comando de leitura de múltiplos registros
analógicos (comando 3). O frame de comunicação utilizado é mostrado abaixo (os endereços
são mostrados em sistema hexadecimal):
endereço comando end. dos registros quant. de registros CRC
02 03 03 00 00 0A 2 caracteres
A resposta do escravo seria um frame semelhante composto das seguintes partes: O endereço
do escravo, o número do comando, os dez valores solicitados e um verificador de erros
(CRC). Em caso de erros de resposta (por exemplo um dos endereços solicitados não existe) o
escravo responde com um código de erro.
Para alguns comandos de diagnóstico, tais como reinício de comunicação, reset do módulo ou
sincronização de relógio, podem ser utilizados comunicações do tipo broadcast, ou seja,
destinada a todos os escravos simultaneamente.
1.2.2 - Variações
Em redes seriais baseadas em RS-485 ou RS-232 o Modbus pode ter duas variações: RTU e
ASCII.
1.2.2.1 - Modbus RTU
Neste modo os dados são transmitidos em formato binário de oito bits, permitindo a
compactação dos dados em pequenos pacotes. RTU é a sigla inglesa para Remote Terminal
Unit. No modo RTU, os endereços e valores podem ser representados em formato binário.
Números inteiros variando entre -32768 e 32767 podem ser representados por 2 bytes. O
mesmo número precisaria de quatro caracteres ASCII para ser representado (em
hexadecimal).
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1.2.2.2 - Modbus ASCII
Transmite os dados codificados em caracteres ASCII de sete bits. Apesar de gerar mensagens
legíveis por pessoas este modo consome mais recursos da rede.
Modbus/TCP - Aqui os dados são encapsulados em formato binário em frames TCP para a
utilização do meio físico Ethernet (IEEE 802.3). Quando o Modbus/TCP é utilizado, o
mecanismo de controle de acesso é o CSMA-CD (Próprio da rede Ethernet) e as estações
utilizam o modelo cliente-servidor.
Modbus Plus - Versão que possui vários recursos adicionais de roteamento, diagnóstico,
endereçamento e consistência de dados. Esta versão ainda é mantida sob domínio da
Schneider Electric e só pode ser implantada sob licença deste fabricante.
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1.3 - PROFIBUS
PROFIBUS (acrônimo de Process Field Bus) é o tipo mais popular sistema de comunicação
em rede Fieldbus, com mais de 28 milhões de dispositivos instalados até o fim de 2008. O
PROFIBUS foi desenvolvido em 1987 por Johan Sartwish Wilman, em São Petersburgo.
Na Europa, as redes PROFIBUS dominam mais de 60% do mercado de automação industrial.
Existem três diferentes versões de PROFIBUS:
PROFIBUS DP (Decentrallised Periphery) esse protocolo foi a primeira versão criada.
Indicada para o chão de fábrica, onde há um volume de informações grande e há a
necessidade de uma alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados
num tempo adequado.
PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) esta versão é uma evolução do
Profibus DP e destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram os
PLCs). O FMS é tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial,
mesmo que isso não seja indicado.
PROFIBUS PA (Process Automation) é a versão mais moderna do Profibus. Uma
característica interessante deste protocolo é que os dados podem trafegar pela mesma
linha física da alimentação DC, o que economiza tempo de instalação e cabos e diminui o
custo de sua instalação. Sua performance é semelhante ao DP. Esse protocolo é
intrinsicamente seguro, podendo ser usado em áreas classificadas.
PROFIBUS oferece diferentes protocolos de comunicação que de acordo com a aplicação,
pode-se utilizar como meio de transmissão qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC
61158-2 ou Fibra Ótica.
Esse padrão é mantido, atualizado e comercializado pela PROFIBUS International, uma
organização sem fins lucrativos administrada de Karlsruhe na Alemanha.
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1.3.1 - PROFIBUS DP
O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi
otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e
equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle onde se tem destacado o
acesso de I/Os distribuídos. É utilizada em substituição a sistemas convencionais 4 a 20 mA
ou HART ou em transmissão com 24 Volts. Se utiliza do meio físico RS485 ou fibra ótica.
Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente
utilizado em controles com tempo crítico.
Atualmente 90% das aplicações envolvendo escravos PROFIBUS, utilzam-se do PROFIBUS
DP. Esta variante é disponível em 3 versões: DP-V0(1993), DP-V1(1997) e DP-V2(2002).
1.3.1.2 - Versões do PROFIBUS DP
1.3.1.2.1 - O DP-V0 provê funcionalidades básicas do DP, incluindo a troca de dados cíclicos
entre estações , módulos e canais e diagnósticos. Nesta versão um mestre DP lê e escreve
ciclicamente em seus escravos. Utiliza-se do meio físico RS485 ou fibra ótica, onde pode
chegar à distancias de até 80Km. Funções de diagnósticos facilitam a localização de falhas e
são transmitidas ciclicamente. O PROFIBUS DP suporta a implementação mono-mestre e
multi-mestres, onde um máximo de 126 equipamentos podem estar conectados ao barramento
e cada escravo pode enviar ou receber até 244 bytes de dados.
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Figura 2 - Comunicação multi-mestre
Figura 3 - Comunicação mestre/escravo
Tipos de dispositivos
Cada sistema DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos:
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1) Mestre DP Classe 1 (DPM1)
É um controlador principal que troca informações ciclicamente com os escravos. Os
controladores lógicos programáveis (PLCs) são exemplos destes dispositivos mestres.
2) Mestre DP classe 2 (DPM2)
São as estações de engenharia utilizadas para configuração, monitoração ou sistemas de
supervisão, como por exemplo, o Simatic PDM.
3) Escravo
Um escravo DP é um dispositivo periférico, tais como dispositivos de I/O, atuadores, IHM,
válvulas,transdutores, Há também dispositivos que tem somente entrada, somente saída ou
uma combinação de entradas e saídas.
1.3.1.2.2 - O DP-V1 provê funcionalidades mais avançadas do DP, principalmente em termos
de automação de processos, em particular a comunicação de dados acíclicos utilizada na
parametrização, operação, visualização, supervisão dos equipamentos de campo em conjunto
com a comunicação cíclica.A comunicação acíclica é executada em paralelo à comunicação
cíclica, porém com prioridade inferior.
As funções DP estendidas possibilitam funções acíclicas de leitura e escrita e reconhecimento
de interrupção que podem ser executadas paralelamente e independentes da transmissão
cíclica de dados. Isto permite que o usuário faça acessos acíclicos dos parâmetros via mestre
classe 2 e que valores de medida de um escravo possam ser acessados por estações de
supervisão e de diagnóstico.
Atualmente estas funções estendidas são amplamente usadas em operação online dos
equipamentos de campo PA pelas estações de engenharia. Esta transmissão tem uma
prioridade mais baixa do que a transferência cíclica de dados.
1.3.1.2.3 - O DP-V2 provê funcionalidades mais sofisticadas, principalmente em
termos de tecnologia de drives e sistemas de segurança, assim como comunicação
entre escravos, modo isócrono e gerenciamento de clock.
A comunicação escravo-escravo elimina o “overhead” causado pela necessidade de um mestre
no sistema, sendo que um escravo pode agir como “Publisher” e a resposta do escravo pode
ser direcionada aos demais escravos que agem como “Subscribers”.Isto pode reduzir em até
90% o tempo de resposta, dando mais flexibilidade às aplicações críticas em tempo. O modo
isócrono permite a sincronização de clock entre mestres e escravos, dando um maior controle
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no gerenciamento de mensagens no barramento, onde este gerenciamento tem a função real-
time controlando tempos e sincronizando estações, facilitando o tracking de eventos.
Figura 4 - Comunicação publisher/subscriber
1.3.2 - PROFIBUS PA
A rede PROFIBUS PA se adéqua a requerimentos especiais de automação de processos por
possuir técnicas de transmissão intrinsecamente seguras, dispositivos de campo alimentados
pelo mesmo cabo de dados, transmissão de dados confiável e interoperabilidade. Dessa forma
atende aos requisitos da indústria química para uso em áreas potencialmente explosivas,
também conhecidas como áreas classificadas. A IEC 61158-2 determina que o meio físico do
PROFIBUS PA deve ser um par de fios trançados. As propriedades de um barramento de
campo são determinadas pelas condições elétricas do cabo utilizado. Embora a IEC 61158-2
não especifique tecnicamente o cabo, o cabo tipo A é altamente recomendado, a fim de
garantir as melhores condições de comunicação e distâncias envolvidas.
A comunicação do PA é baseada no DPV1 e é implementada como um sistema parcial
integrado a um sistema de comunicação DP de nível mais alto. O PROFIBUS PA e o
PROFIBUS DP usam um protocolo de comunicação idêntico e a conexão dos dois é feita
usando um dispositivo acoplador simples.
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Figura 5 - Exemplo de Arquitetura com Profibus PA.
Um estudo conduzido pela NAMUR (Comitê de padronização da industria de controle e
instrumentação) mostrou que comparada a sistemas convencionais, PROFIBUS PA apresenta
economia de mais de 40% em planejamento, cabeamento, implantação e manutenção.
Figura 6 - Redução de custo com a implantação do PROFIBUS PA
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1.4 - Conclusão
A substituição do uso do sinal analógico de 4-20mA aconteceu devido a evolução tecnológica. Com a evolução dos sinais analógicos para os digitais surgiu a necessidade de criar um padrão de comunicação entre os dispositivos, com a finalidade de facilitar o uso dos equipamentos e possibilitar o uso do mesmo padrão em qualquer lugar no mundo e a utilização de equipamentos de diferentes fabricantes e até padrões na mesma planta.Os próprios sistemas digitais já evoluíram, sendo criados novos padrões que possibilitam, por exemplo, comunicação em alta velocidade, para suportar altos volumes de dados, e utilização em áreas com risco de explosão.
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1.5 - Referências:
http://pt.wikipedia.org/wiki/Fieldbus
http://pt.wikipedia.org/wiki/Modbus
http://pt.wikipedia.org/wiki/Profibus
http://www.profibus.org.br/
http://www.profibus.com/
http://www.samson.de/enindex.htm
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