Cláudio de Almada Imperial
2 Automação Industrial 1. Introdução Redes e Protocolos de Comunicação No nosso dia a dia utilizamos vários meios para nos locomover de um lugar a outro, onde para cada um temos um tipo de veiculo e um meio físico que proporcionam diferentes velocidades no trajeto, como por exemplo, no espaço aéreo utilizamos o foguete ou avião que são super rápidos, nas estradas utilizamos carros que atingem velocidades medianas, nos mares e rios utilizamos navios ou barcos que são vagarosos e nos caminhos utilizamos cavalos ou até mesmo nos locomovemos a pé, que são super lentos. Analogamente as redes de comunicação também possuem velocidades variadas devido às mesmas questões, os meios físicos e os tipos de equipamentos com sinais elétricos, radiofreqüência e/ou ópticos, transmitidos de um ponto ao outro. Assim veremos os tipos de redes, suas limitações físicas e os tipos de sinais nelas transmitidos (trafegados). Continuando com analogias com o nosso dia a dia, utilizaremos novamente a viagem de um ponto a outro para entendermos os protocolos de comunicação. Imaginemos nos numa viagem nacional, neste tipo de viagem não teremos problema nenhum com a comunicação, pois todos falam o mesmo idioma, o Português. E no caso de uma viagem internacional? Nós teremos que comunicarmos em outro idioma ou utilizarmos o inglês que é um idioma universal (padrão). Os protocolos de comunicação são como os idiomas, eles possuem um formato próprio, com regras e definições claras. Entretanto existem dois tipos de protocolos, os protocolos abertos (padrão) e os protocolos fechados (proprietário). Os protocolos abertos (padrão) são chamados assim por apresentarem suas regras abertas e divulgadas a todo publico que deseja utilizar uma linguagem de comunicação padrão para conectividade de equipamentos e sistemas. Já os protocolos fechados (proprietário) assim são chamados por serem específicos de determinado fabricante e ser utilizado somente no domínio de equipamentos deste fabricante. No inicio da Automação Industrial, onde os equipamentos eram desenvolvidos por um grupo restrito de fabricantes, o uso do protocolo proprietário (fechado) era o mais utilizado, com objetivos de proteção da tecnologia até uma fidelidade do cliente, mas com a exigência do mercado consumidor em busca não só de soluções, mas também de valores mais acessíveis, os fabricantes se viram obrigados a criar integrações e mais tarde a desenvolver equipamentos em protocolos padrões (abertos).
3 O Modelo OSI O Modelo OSI (Open System Interconect) foi criado em 1977 pela ISSO (International Organization for Standardization) com o objetivo de criar padrões de conectividade para interligar sistemas locais e remotos. O modelo OSI possui sete camadas: Nível Físico - Interligação de equipamentos - Fornece características mecânicas, elétricas e funcionais para habilitar, manter e desabilitar conexões em entidades de nível de enlace; Nível de Enlace - Comunicação de dados - Detecta e corrigi erros que possam ocorrer no nível físico. Possui um mecanismo de controle de fluxo para evitar que o receptor receba mais dados do que possa processar. O transmissor saberá qual o espaço disponível do buffer do receptor em um dado momento. Nível de Rede - Interligação entre redes - Fornece ao nível de transporte uma independência quanto a considerações de chaveamento e roteamento associadas ao estabelecimento e operação de uma conexão em rede. Nível de Transporte - Transmissão entre entidades - É a garantia de que um pacote chegue ao seu destino, isolando os níveis superiores para a transmissão de rede. Nível de Sessão - Gestão do Dialogo - Permite estruturar os circuitos oferecidos pelo nível de transporte. Os principais serviços fornecidos por este nível são: Token, controle de diálogo e gerenciamento de atividades.
4 Nível de Apresentação - Conversão de Dados - Sua função é de realizar transformações adequadas, antes de seu envio ao nível de sessão. Os serviços oferecidos por este nível são: transformação de dados, formatação de dados, seleção de sintaxes e estabelecimento de manutenção de conexões de apresentação. Nível de aplicação - Informação Formatada - São definidas funções de gerenciamento e mecanismos genéricos que servem de suporte a aplicações distribuídas. Por exemplo, para que seja viável o intercâmbio entre usuários, o usuário de nível de aplicação poderá utilizar um elemento de serviço chamado ACSE (Association Control Service Element). Além dos elementos de serviço genérico existem elementos de serviço específicos de cada protocolo de aplicação, como FTAM (File Transfer, Access and Mangament), o DS (Directory Service), e o MHS (MESSAGE Handling System). Transmissão de dados no modelo OSI O processo começa com a entrega dos dados a serem transmitidos pelo usuário para uma entidade do nível de aplicação no sistema A. Os dados do usuário recebem a denominação UNIDADE DE DADOS DO SERVIÇO (Service Data Unit - SDU), sendo eles, nesse caso, a SDU dos níveis de aplicação. A entidade da camada de aplicação junta aos dados do usuário um cabeçalho denominado informação de Controle do Protocolo (Protocol Control Information - PCI). O objeto resultante dessa junção é chamado Unidade de Dados do Protocolo (Protocol Data Unit - PDU). A PDU é a unidade de informação trocada pelas entidades pares, ao executar o protocolo de uma camada, para fornecer o serviço que cabe à camada em questão. A PDU do nível de aplicação (cabeçalho + dados do usuário) é então passada para o nível de apresentação. A entidade do nível de apresentação trata a unidade que recebe da mesma forma que o nível de aplicação trata os dados do usuário (a PDU do nível de aplicação é um SDU no nível de apresentação), e acrescenta seu cabeçalho, compondo assim a PDU do nível de apresentação. Esse processo continua até o nível de enlace, que geralmente acrescenta um cabeçalho e um fecho, que contém um Frame Check Sequence (FCS) para detecção de erros. A PDU do nível de enlace que é denominada quantro (frame), é transmitida pelo nível físico através do meio de transmissão, depois de agregar ao quadro seu cabeção e seu fecho. Quando o quadro é recebido pelo destinatário o processo inverso ocorre. À medida que a unidade de dados vai sendo passada para as camadas superiores, cada camada retira o cabeçalho e o fecho que foi acrescentado por sua entidade par na origem, executa as operações do protocolo de acordo com a informação contida no cabeçalho, e passa a unidade de dados para camada superior. O processo se encerra com o usuário no sistema remoto B recebendo os dados enviados pelo usuário do sistema A.
5 Os Meios de Transmissão Camada 1 do modelo OSI O meio de transmissão é o meio empregado para oferecer suporte ao fluxo de dados entre dois pontos. O termo linha é freqüentemente usado no jargão do teleprocessamento, e pode designar um par de fios, um cabo coaxial, um cabo de fibra ótica, canal de satélite. Os meios de transmissão permitem que os equipamentos e computadores enviem e recebam mensagens, mas não garantem que as mensagens sejam entendidas. Essa função é deixada para os protocolos de camada superior. Características do Meio de Transmissão Cada meio de transmissão possui características próprias que o tornam adequado para tipos específicos de serviço: Custo Requisitos de instalação Largura de Banda : Refere-se à medida da capacidade de um meio para transmitir dados. As taxas de transmissão freqüentemente são estabelecidas em termos da quantidade de bits que podem ser transmitidos por segundo. Uma rede local Ethernet teoricamente pode transmitir 10 milhões de bits por segundo (bps) e tem uma largura de banda de 10 megabits por segundo (Mbps). A largura de banda que um cabo pode acomodar é determinada em parte pelo comprimento do cabo. Um cabo curto geralmente pode acomodar uma largura de banda maior do que um cabo mais longo, e essa é a razão pela qual todos os projetos de cabos especificam comprimentos máximos. Além desses limites, os sinais de mais alta freqüência podem deteriorar-se e os erros começam a ocorrer nos sinais de dados. Uso da banda (BANDA-BASE ou BANDA-LARGA) : Existem duas maneiras de alocar a capacidade de transmissão do meio: *BANDA BASE : toda a capacidade do meio é dedicada a um canal de comunicação. A maioria das redes locais funciona no modo de BANDA-BASE. O método de transmissão de BANDA BASE define que somente um sinal digital pode viajar pela mídia e que sua velocidade não pode ser superior a 100 Mbps. A informação é posta na mídia sem nenhum tipo de modulação e cada sinal transmitido utiliza a largura da banda total da mídia. O cabo UTP, de par
6 trançado, a fibra ótica e o cabo coaxial para BANDA BASE são os mais comuns para esse tipo de transmissão. *BANDA LARGA: Dois ou mais canais de comunicações compartilham a largura de banda do meio de comunicação. O método de transmissão de BANDA LARGA permite que vários sinais possam viajar ao mesmo tempo pela mídia. Como exemplo, um cabo coaxial CATV com uma largura de banda de 500 MHz pode levar 80 canais de televisão de 6 MHz de largura de banda cada. Essas transmissões requerem uma largura de banda maior, ou uma faixa de freqüências, para poder permitir várias freqüências no mesmo cabo. A informação é modulada antes de ser transmitida. O sistema de televisão a cabo é o melhor exemplo de que vários canais podem ser vistos, mesmo viajando através de um único cabo. Os cabos de fibra ótica e o coaxial para BANDA LARGA são os mais comuns para esse tipo de transmissão. Atenuação : é uma medida de quanto um meio de transmissão enfraquece um sinal, sempre especificam a freqüência usada para fazer a medida porque a atenuação varia com a freqüência. Como uma regra, quanto maior a freqüência, maior a atenuação. Constitui-se em um dos principais fatores que limitam os comprimentos dos cabos que podem ser usados nas redes. Interferência eletromagnética (EMI): é um ruído elétrico de fundo que distorce um sinal carregado por um meio de transmissão. É uma grandeza que dificulta a escuta da estação em um meio para detectar sinais de dados válidos. Alguns meios de transmissão são mais sensíveis a essa INTERFERÊNCIA que outros. O cabo de fibra ótica é imune a todas as formas de EMI. A LINHA CRUZADA ("CROSSTALK") é um tipo especial de EMI causado por fios próximos entre si que carregam dados e "vazam" alguns de seus sinais de dados como EMI. A LINHA CRUZADA é de particular preocupação em redes de alta velocidade que usam cabos de cobre porque existem, tipicamente, muitos cabos individuais muito próximos entre si. Tipos de Linhas de Transmissão Os tipos de linhas de transmissão são pares de fios, cabo coaxial, cabo de fibra ótica e canal de satélite. Cabos elétricos Os cabos elétricos utilizados para comunicação de dados são de dois tipos: Os cabos de par trançado e os cabos coaxiais. Cabo de par trançado: Construído através do agrupamento de um ou mais pares de fios elétricos trançados (veja a figura), o cabo de par trançado é o meio físico delimitado de menor custo entre todos que analisaremos, principalmente em função da sua simplicidade. Como podemos observar, cada par é constituído por dois fios elétricos trançados. Este conjunto possui características eletromecânicas que afetam o comportamento do cabo durante a transmissão de dados. Entre as principais estão:
7 - Comprimento do cabo, passo (número de voltas por metro); - Espessura do condutor (também conhecida como bitola); - Número de pares por cabo; - Material utilizado para os fios. Transmitir sinais elétricos através de um par de fios é uma solução que já vem sendo adotada a muito tempo. Utilizado desde os tempos do telégrafo, este meio físico possui um parque instalado de milhares e milhares de quilômetros. No entanto, encaminhar os fios de forma paralela (sem o trançado) trazia problemas quando encaminhávamos mais de um par de fios no mesmo cabo. A interferência gerada por um par nos outros (também chamada de diafonia, ou cross-talk), acabava invalidando a aplicação. Para resolver este problema, decidiu-se trançar os pares de fios antes de agrupá-los. Com um trançado diferente para cada um dos pares, reduzimos bastante a diafonia, garantindo a aplicação deste meio físico. Obviamente, tal medida implica em diferentes comprimentos de fio para cada um dos pares do cabo. Esta diferença pode ser considerada, e até compensada pelos equipamentos terminais, desde que se garanta uma norma rigorosa para identificação de cada par. As normas de cabeamento estabelecem claramente quais os pares que devem ser interligados a cada um dos conectores existentes nos equipamentos terminais. Cabos de Fibra Ótica : Ao contrário dos cabos elétricos, o cabo de fibra ótica não é construído para a condução de sinais elétricos, e sim de sinais luminosos. A ausência de sinais elétricos já é garantia de imunidade a interferências eletromagnéticas, o que já é uma grande vantagem. No entanto, a tecnologia envolvida na instalação de uma rede de comunicação baseada em cabeamento ótico aumenta significativamente os custos, o que normalmente é a grande desvantagem desta solução.
8 Princípio de funcionamento: Para entender o funcionamento de um cabo de fibra ótica, é importante conhecer as propriedades da reflexão e da refração da luz. Na figura abaixo, temos a representação de uma fibra ótica típica. Observe a identificação do núcleo (em verde) e da casca externa na extremidade da fibra. Esta é a região da conectorização. Uma fibra ótica é construída de forma a garantir diferentes densidades no núcleo e na casca externa. É esta diferença de densidade que garante a propagação do sinal luminoso por toda a extensão do cabo. Considerando um sinal de luz que tenha sido injetado no centro do núcleo e numa direção paralela ao mesmo, a luz tenderá a se propagar em linha reta até a próxima curva do cabo. Neste ponto, fatalmente o sinal luminoso atingirá a região de mudança de densidade (observe detalhe em verde na figura). Ao atingir a região de mudança de densidade, parte do sinal luminoso será refletida e parte será refratada. A soma das potências dos dois sinais corresponderá exatamente à potência do sinal incidente. No entanto, o que nos interessa é apenas o sinal refletido, já que o sinal refratado provavelmente será dissipado sobre a forma de calor, representando uma perda indesejável da potência de sinal. Padrões de Canais de Comunicação Um canal de comunicação é um caminho sobre o qual a informação pode trafegar e os padrões de interfaces de comunicação são RS-232, RS422, RS485, Ethernet. RS232 RS232 nada mais é que um conjunto de normas que definem comunicação serial ponto a ponto entre dois dispositivos. A norma RS232 define os níveis de tensão, a temporização, o protocolo de troca de dados e a disposição mecânica dos conectores.
9 A interface RS232 tem como principal atrativo a sua implementação simples e barata, sendo disponível como padrão na maioria dos computadores atuais e antigos. As principais limitações da interface RS232 se devem ao fato da mesma operar por níveis de tensão, sendo extremamente suscetível a ruídos, o que inviabiliza a comunicação de maneira confiável em distâncias superiores a 10 ou 15 metros. Outra limitação é que o padrão RS232 foi desenvolvido para ser uma comunicação ponto a ponto, não permitindo que mais de dois dispositivos usem a mesma linha de dados. Os conectores utilizados são os DB9 e DB25 (ambos com conectores Macho e Femea) e os valores de taxa de transmissão (baud rate) comumente usados são de 1200, 2400, 4800, 9600 e 19200bps. Um exemplo de aplicação desta interface é a comunicação entre um PC (DTE Data Terminal Equipment) e um modem (DCE Data Circuit-Terminating Equipament). Características do Sinal Sinais com tensão entre 3 volts e 25 volts com relação ao terra (pino 7) são considerados nível lógico 1 ( condição marca), e tensões entre +3 volts e +25 volts são considerados nível lógico 0 (condição espaço). A faixa de tensões entre 3 volts e +3 volts é considerada uma região de transição para o qual o estado do sinal é indefinido.
10 Comunicação serial RS232C padrão RS422 RS422 é uma evolução do padrão RS232 e tem como principal novidade a implementação de linhas de transmissão balanceadas, o que torna a comunicação extremamente imune a ruídos, permitindo o envio de informações à distâncias de até 1200 metros de maneira extremamente confiável. O padrão RS422 é mais utilizado em comunicações ponto a ponto, embora seja possível utilizar o mesmo em pequenas redes. Para operação em rede o número máximo de dispositivos que podem ser conectados é limitado, pois cada circuito de saída RS422 pode ser ligado no máximo a 10 entradas. Também não é possível a utilização de um único par de fios para operar como "barramento" ou seja, os dados são transmitidos por uma linha e recebidos por outra. O principal uso do padrão RS422 é para estender a comunicação RS232 a grandes distâncias, de maneira transparente ao usuário sem a necessidade de alterar programação e protocolos.. A taxa máxima de dados é de 10Mbps a 1,2 metros e 100 Kbps a 1200 metros. Comunicação RS232 a longa distância com dispositivo RS232 Comunicação RS232 a longa distância com dispositivo RS422
11 RS485 RS485 é uma evolução do padrão RS422, tendo como principal enfoque a comunicação em rede, ou seja, com apenas um par de fios é possível se comunicar com diversos equipamentos em rede usando o mesmo barramento. Assim como o RS422, o RS485 utiliza linha de dados balanceada, bastante similar às linhas de dados da interface RS422, logo também permite comunicação em distâncias de até 1200 metros de maneira extremamente confiável. Comunicação RS232 a rede de dispositivos RS485 O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada em redes de automação Predial e Industria, sendo nesta ultima no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada a uma instalação simples e barata são necessárias. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o suficiente neste caso. A tecnologia de transmissão RS485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação. Taxas de transmissão entre 9.6 kbps e 12 Mbps podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado.
12 Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC , com uma taxa de transmissão definida em 21,25 Kbps, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. A transmissão é baseada nos seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H1: Cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação; Alimentação não é fornecida ao bus enquanto uma estação está enviando; Os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em estado de repouso; Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente (sink); Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos fins da linha principal do barramento; Topologia linear, árvore e estrela são permitidas. Transmissão de Dados Digital, sincronizado a bit.código Manchester Taxa de Transmissão 31,25 Kbit/s, modo tensão. Segurança de Dados Pre-amble, error-proof start e end limiter Cabos Par trançado blindado Alimentação Remota Opcional via linha de dados Classe Proteção â Explosão Segurança Intrínseca (Eex ia/i b) e encapsulação (Eex d/m/p/q) Topologia Linha ou árvore, ou combinadas. Número de Estações Até 32 estações por segmento, máximo de 126. Repetidores Até 4 repetidores Características Tabela 1 - Características da IEC RS é semelhante ao RS-422, exceto pelo fato dos drivers associados serem tristate e não dual-state. Pode ser utilizado em aplicações multiponto em que um computador controla muitos dispositivos diferentes. Até 64 dispositivos podem ser conectados com o RS-485.
13 Sinais: A RS485 possui sinais de comunicação Tx+/Rx-, Tx-/ RX+, sendo o Tx aquele que envia e o Rx o que recebe. O modo de transmissão é por diferencial elétrico. Pode utilizar outros sinais para controle. Número max de equipamentos: 32 em uma conexão de barramento único. Distância Max.: Até 1200 metros para o último ponto. ETHERNET A Ethernet é um padrão de camada física e camada de enlace, opera à 10 Mbps, com quadros que possuem tamanho entre 64 e 1518 bytes. O endereçamento é feito através de uma numeração que é única para cada host com 6 bytes sendo os primeiros 3 bytes para a identificação do fabricante e os 3 bytes seguintes para o número sequencial da placa. Este numeração é conhecida como endereço MAC -Media Access Control. A sub-camada MAC, pertencente à camada 2 da pilha de protocolos OSI, controla a transmissão, a recepção e atua diretamente com o meio físico, conseqüentemente cada tipo de meio físico requer características diferentes da camada MAC. As características da camada de MAC: - Modo de transmissão half-duplex, evoluindo para full-duplex; - Encapsulamento dos dados das camadas superiores; - Desencapsulamento dos dados para as camadas superiores; - Transmissão dos quadros; - Recepção dos quadros. Características A tecnologia ethernet, basicamente, consiste de três elementos: o meio físico, as regras de controle de acesso ao meio e o quadro ethernet. O modo de trasmissão é uma característica importante da ethernet, podendo ser: Simplex: durante todo o tempo apenas uma estação transmite, a transmissão é feita unilateralmente; Half-duplex: cada estação transmite ou recebe informações, não acontecendo transmissão simultânea; Full-duplex: cada estação transmite e/ou recebe, podendo ocorrer transmissões simultâneas. O protocolo de comunicação de dados Ethernet foi desenvolvido na década de 70 pelo centro de pesquisa da Xerox nos Estados Unidos, sendo padronizado em 1983 pela IEEE (norma 802.3). Devido à sua grande popularidade em aplicações de rede foram desenvolvidos novos padrões em busca de maior largura de banda como Fast Ethernet 100BaseT, Gigabit 1000BaseT e logigabit, proporcionando maiores velocidades. O protocolo permite a interconexão de usuários, compartilhamento de dispositivos comuns entre eles e acesso remoto a vários tipos de controles de automação. Originalmente sua tecnologia era half duplex e topologia BUS, sendo o acesso controlado pelo CSMA/CD, onde cada dispositivo percebe a linha ociosa e passa e tranferir os dados.
14 IEEE Base 2 - Normas para cabeamento Ethernet "cheapernet" (coaxial fino), com sinal de 10 Mbps e distância máxima de 185 metros por segmento de cabo. IEEE Base T - Normas para cabeamento Ethernet par-trançado (LAN), com sinal de 10 Mbps utilizando hub para conexão entre os segmentos de cabo. CATEGORIA 3: Características e padrões de desempenho para cabeamento e conexões adotadas em transmissões de dados e voz na velocidade de até 10 Megabits por segundo (Mbps). CATEGORIA 4: Características e padrões de desempenho para cabeamento e conexões adotadas em transmissões de dados e voz na velocidade de até 16 Mbps. IEEE Base Tx - Normas para cabeamento Ethernet par-trançado (LAN), com sinal de 100 Mbps utilizando hub para conexão entre os segmentos de cabo. CATEGORIA 5: Características e padrões de desempenho para cabeamento e conexões adotadas em transmissões de dados e voz na velocidade de até 100 Mbps. CATEGORIA 5e: Uma melhoria das características dos materiais utilizados que permitiu um melhor desempenho nos cabeamentos e conexões 100 Mbps. CATEGORIA 6/6e: Características e padrões em desenvolvimento para desempenho nos cabeamentos e conexões a 1000 Mbps até Mbps. Definições e Aplicações Ethernet está em quase todo lugar, dominando as LANs e os backbones empresariais ao redor do mundo e tomando de assalto a rede metropolitana. Com o padrão 10G Ethernet em vigor, o protocolo está preparado para conquistar novos territórios em WAN, storage e banda larga. Mas exatamente quando vai decolar nestas áreas depende de condições económicas e aceitação das operadoras. No centro do storage IP está a Ethernet. Ao mesmo tempo, as operadoras acrescentam serviços Ethernet aos seus veteranos produtos Frame Relay e ATM. Ethernet também está pronto para entrar na arena de banda larga através do trabalho da forçatarefa IEEE 802.3ah Ethernet na primeira milha. A velocidade de transmissão dos pacotes hoje é apenas um indício do atrativo e do potencial da tecnologia. Estes business plans estão alavancando o design básico de pacotes "com base em interoperabilidade demandada pelo mercado, implementações de fabricantes e competição feroz em termos de preço, performance e disponibilidade", diz Metcalfe. Ethernet ganhou ainda mais força em junho, quando o padrão IEEE 802.3ae para 10G foi aprovado. Apesar disso, o futuro deste padrão como tecnologia de transporte de WAN não está nem um pouco garantido.
15 O Padrão Ethernet, é uma rede de transmissão lógica que pode transmitir dados a 10 Mbps. Os dados são transmitidos através do cabo para todos os computadores. Somente aqueles que recebem os dados confirmam a transmissão. O método de acesso utilizado é CSMA/CD e controla o tráfego na rede, permitindo a transmissão somente quando o cabo está vazio e nenhum outro computador está transmitindo. O formato da estrutura Ethernet divide os dados em pacotes diferentes dos pacotes utilizados em outras redes. Na Ethernet, os dados são divididos em estruturas. Uma estrutura é um pacote de informações transmitidas como uma única unidade. Uma estrutura Ethernet pode ter entre 64 e bytes, mas a estrutura propriamente dita utiliza, pelo menos, 18 bytes; portanto, os dados em uma estrutura Ethernet podem ter 46 a bytes. Todas as estruturas contêm informações de controle e obedecem à mesma organização básica. As redes Ethernet abrangem diversas alternativas de cabeamento e de topologias, dependendo do padrão IEEE. As redes com cabos coaxias fino geralmente utilizam uma topologia de barramento local. Os padrões IEEE para thínnet não permitem que um cabo transceptor seja utilizado do conector T do barramento para um computador. Ao invés disso, um conector T se encaixa diretamente na placa adaptadora de rede. Um conector Barrei BNC pode ser utilizado para conectar segmentos de cabos thinnet ampliando, assim, o comprimento de um cabo. Contudo, a utilização de conectores.
16 Protocolos de Comunicação A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS-Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais. A seguir apresentamos a pirâmide da automação.
17 No Nível de Campo (atuadores/sensores,etc) temos os protocolos que comunicam bits/bytes a bytes. Os protocolos neste nível são AS-Interface, Modbus, HART, SensorBus, CAN, Interbus,etc. Protocolo AS-Interface O AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois alem de ser um protocolo aberto os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24Vdc) necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida. Características Principais da Rede AS-Interface Transferência de dados e energia em um único cabo Sistema Mestre (monomestre) / Escravo com tempo máximo de ciclo de 5 / 10ms 31 / 62 Escravos com no máximo 4 Entradas e 4 / 3 Saídas cada Módulos com Grau de Proteção IP 65/67 Máximo de 100 m na estrutura em árvore (com o uso de repetidores/extensores pode-se chegar a 500m) Módulos padronizados e controlados pela Associação Internacional AS-Interface
18 O mestre controla três listas internas (Tabelas): LRS... Lista de escravos reconhecidos LAS... Lista de escravos ativos LCS... Lista de escravos configurados Versão 2.0 Versão 2.1 Nº de Escravos máx. 31 máx. 62 Número de E/S 124E+124S 248E + 186S Transmissão Dados e Energia até 7 A Dados e Energia até 7 A Meio Físico Cabo não-blindado 2x1.5 mm² Cabo não-blindado 2x1.5 mm² Máx. Ciclo 5 ms 10 ms Manuseio de Integrado com Bloco de Função Dados analógicos no Mestre Nº de dados Analógicos 16 Bytes para dados digitais e analógicos 248 Bytes de dados Analógicos Possíveis Mét. de Acesso Mestre/Escravo Mestre/Escravo 100m, 100m, Comprimento Extensão com Extensão com Máx. do cabo Repetidor até 500m Repetidor até 500m
19 No Nível de Automação, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA, o DeviceNet. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário. Protocolos PROFIBUS DP, PA e FMS O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface. PROFIBUS oferece diferente protocolos de comunicação (Communication Profile): DP e FMS.
20 De acordo com a aplicação, pode-se utilizar como meio de transmissão (Physical Profile) qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC ou Fibra Ótica. O Perfil da Aplicação (Aplication Profile) define as opções do protocolo e da tecnologia de transmissão requerida nas respectivas áreas de aplicação e para os vários tipos de dispositivos. Estes perfis também definem o comportamento do dispositivo. Perfil de Comunicação (Communication Profile) O perfil de comunicação PROFIBUS define como os dados serão transmitidos serialmente através do meio de comunicação. PROFIBUS - DP - Periferia Descentralizada (Decentralized Periphery) O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O s distribuídos no nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 ma ou HART em sistemas de automação de processo. Funções básicas do PROFIBUS DP:
21 O controlador central (mestre) lê ciclicamente a informação de entrada dos escravos e escreve também ciclicamente a informação de saída nos escravos. O tempo de ciclo do bus é geralmente mais curto que o tempo de ciclo do programa do PLC, que em muitas aplicações é em torno de 10 ms. Além da transmissão cíclica de dados de usuário, PROFIBUS-DP proporciona funções poderosas de diagnóstico e configuração. A comunicação de dados é controlada por funções de monitoração tanto no mestre, como no escravo. Configuração do sistema e tipos de dispositivos O PROFIBUS DP permite sistemas mono e multi-mestre oferecendo um alto grau de flexibilidade na configuração do sistema. Até 126 dispositivos (mestres ou escravos) podem ser ligados a um barramento. Sua configuração consiste na definição do número de estações, dos endereços das estações e de seus I/O s, do formato dos dados de I/O, do formato das mensagens de diagnóstico e os parâmetros de barramento. Cada sistema de PROFIBUS-DP pode conter três tipos de dispositivos diferentes: Classe-1 DP MASTER é um controlador central que troca informação com as estações descentralizadas (por ex.: DP slaves) dentro de um ciclo de mensagem especificado. Dispositivos mestres típicos incluem controladores programáveis (PLCs) e PC ou sistemas VME. Classe-2 DP MASTER são terminais de engenharia, programadores, dispositivos de configurações ou painéis de operação. São utilizados durante o comissionamento para configuração do sistema DP e também para a manutenção e diagnóstico do barramento e/ou de seus dispositivos. Um DP SLAVE é um dispositivo periférico (dispositivos de I/O, drivers, IHM, válvulas, etc.) que coleta informações de entrada e enviam informações de saída
22 ao controlador. Pode haver dispositivos que possuem somente informações de entrada e outros com somente informações de saída. A quantidade de informação de I/O depende do tipo de dispositivo. Um máximo de 246 bytes de entrada e 246 bytes de saída são permitidos. Em sistemas mono-master somente um mestre é ativo no barramento durante a fase de operação da rede. O PLC é o controlador central, sendo os DPescravos distribuídos conectados à ele via o barramento. Sistemas Mono-master possuem tempo de ciclo curtíssimo. Em configurações multi-master vários mestres são ligados a um único barramento. Estes mestres são sub-sistemas independentes, cada um consistindo em um mestre DPM1 e seus respectivos escravos DP, opcionalmente com dispositivos de configuração e diagnóstico adicionais. A imagem de entrada e saída dos escravos de DP podem ser lidas por todo os mestres DP. Entretanto, somente um único mestre DP (por ex.:o DPM1 designado durante configuração) poderá escrever em uma saída. Naturalmente sistemas Multi-mestres possuem um tempo de ciclo mais longo que sistemas Mono-Mestre. Meio de transmissão RS-485 O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Para a conexão em locais com grau de proteção IP20, utiliza-se conectores tipo DB9 (9 pinos). Já no caso de grau de proteção IP65/76, existem 3 alternativas para a conexão: - Conector circular M12 (IEC ) - Conector HAN-BRID, conforme recomendação DESINA - Conector híbrido SIEMEN.
23 Meio de transmissão com fibra ótica Fibra ótica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplicações em ambientes com alta interferência electromagnética ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento máximo com taxas de transmissão elevadas. PROFIBUS - PA Automação de Processo (Process Automation) Diferentemente do PROFIBUS DP e PROFIBUS FMS que fazem parte do perfil de comunicação, o PROFIBUS PA é um perfil de aplicação PROFIBUS, o qual descreve o uso dos perfis físico e de comunicação para uma determinada aplicação (automação de processo, automação predial) ou para um certo tipo de dispositivo (encoders, drivers). O uso do PROFIBUS em dispositivos e aplicações típicas de automação e controle de processos é definido por perfil PA. O perfil pode ser obtido no documento número da Associação PROFIBUS. Ele é baseado no perfil de comunicação DP e dependendo do campo de aplicação, os meios de comunicação: IEC , RS-485 ou fibra ótica podem ser usadas. O perfil PA define os parâmetros dos dispositivos e o comportamento de dispositivos típicos, tais como: transmissores de variáveis, posicionadores, etc. independente do fabricante, facilitando assim, a intercambiabilidade do dispositivo e a total independência do fabricante. A descrição das funções e o comportamento dos dispositivos está baseado no internacionalmente reconhecido modelo de Blocos Funcionais (Function Block Model). As definições e opções do perfil de aplicação PA, tornam o PROFIBUS um conveniente substituto para transmissão analógica com 4 a 20 ma ou HART.
24 Configuração típica de uma automação de processo O perfil PROFIBUS-PA foi desenvolvido em cooperação conjunta com os usuários da indústria de processos (NAMUR) e possui os seguintes requisitos especiais para trabalho nestas áreas de aplicação: - perfil de aplicação padronizado para automação e controle de processo e intercambiabilidade de dispositivos de campo entre diferentes fabricantes; - inserção e remoção de estações (dispositivos), mesmo em áreas intrinsecamente seguras, sem influenciar outras estações; - alimentação dos dispositivos tipo transmissores, executada via o próprio barramento, conforme o padrão IEC ; - possibilidade de uso em áreas potencialmente explosivas com proteções do tipo intrínseca (Eex ia/ib) ou encapsulada (Eex d). Meio de transmissão IEC Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC , com uma taxa de transmissão definida em 21,25 Kbits/s, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. As opções e limites do PROFIBUS com tecnologia de transmissão IEC para uso em áreas potencialmente explosivas são definidas pelo modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). O modelo FISCO foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física) e é hoje internacionalmente reconhecida como o modelo básico para barramentos em áreas classificadas. A transmissão é baseada no seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H1. - cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação;