Basico de protocolos

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Basico de protocolos

  1. 1. Interoperabilidade Confiabilidade (detecção e correção de erros) Resiliência (falhas topológicas) 1. IEC 60870-101, 103, 104 2. DNP3 3. Modbus 4. IEC 61850 5. Foundation Fieldbus 6. Profibus 7. Devicenet 8. Interbus 9. ASI 10. Hart Protocolos de Comunicação Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos Camada Física Ethernet Camada Física Serial TCP/IP Internet
  2. 2. Protocolos de Comunicação Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos Cada Tecnologia a seu tempo e com sua função 1. 4 a 20 mA, analógicos. 1.1. Aquisição dos Dados – TPs, TCs, Transdutores – circuitos de corrente 4 a 20 mA para informações analógicas. Par de fios p/ posição aberto/fechado. 1.2. Atuações no processo - Circuitos de corrente e contatos aberto/fechado. 2. Barramentos de Campo – “Proprietários” ou “Abertos”. Profibus, Foundation. 2.1. Comunicação - 31,25 KHZ com par de fios (barramento), níveis de tensão e corrente no barramento (casamento de impedância, reflexão de ondas eletromagnéticas, atenuação, ruído). 2.2.Critérios de alimentação - Segurança intrínseca, áreas classificadas. FISCO Fieldbus Intrinsicaly Safe Concepty. 2.3. Mensagens - estrutura e tamanho, para atender aos requisitos de tempo dos processos industriais – milisegundos ). ( HSE – 10/100 Megabits/s). Macrocycle 2.4. Comunicação Síncrona. 2.5. Outros – DeviceNet, ASI, Interbus, Hart.
  3. 3. 3. Protocolos Seriais – Comunicações Remotas, “100Km” ou o limite do link de comunicação. Comunicação Assíncrona. DNP3, IEC 60870-101, MODBUS. 4. Protocolos TCP/IP – IEC 61850 - Rede Mundial, Internet, Ethernet. 5. Ethernet Industrial – Tecnologia TCP/IP. Requisitos de hardware. Determinismo. Redes Privativas isoladas ou com Servidor NAT/Firewall. 6. OPC – Interoperabilidade, conectividade aberta, entre automação industrial e os sistemas empresariais. Conjunto de padrões para interface entre softwares. Protocolos de Comunicação Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos Cada Tecnologia a seu tempo e com sua função
  4. 4. 1. IED1. IED’’s que trocam alguns bits em milissegundos (vs que trocam alguns bits em milissegundos (váálvulaslvulas OnOn/off, chaves de/off, chaves de nníível,vel, pressostatospressostatos, etc.): protocolos do tipo, etc.): protocolos do tipo SensorBusesSensorBuses . Exemplo. Exemplo –– DevicenetDevicenet 2. IED2. IED’’s que trocam informas que trocam informaçções de alguns bytes em dezenas de milissegundosões de alguns bytes em dezenas de milissegundos (transmissores de pressão, vazão, temperatura, v(transmissores de pressão, vazão, temperatura, váálvulas de controle, etc.):lvulas de controle, etc.): protocolos tipoprotocolos tipo FieldBusesFieldBuses. Exemplo:. Exemplo: ProfibusProfibus PA, Hart,PA, Hart, FieldbusFieldbus FoundationFoundation H1;H1; 3. IED3. IED’’s que trocam vs que trocam váários blocos de bytes em dezenas ou centenas derios blocos de bytes em dezenas ou centenas de milissegundos (relmilissegundos (reléés inteligentes, balans inteligentes, balançças,as, remoteremote IO, etc.): protocolos tipoIO, etc.): protocolos tipo DeviceBusesDeviceBuses. Exemplo:. Exemplo: ProfibusProfibus DP,DP, ControlNetControlNet ee DeviceNetDeviceNet;; 4. IED4. IED’’s que trocam vs que trocam váários dezenas de blocos ou arquivos em segundos (rios dezenas de blocos ou arquivos em segundos (UTRsUTRs,, CLPs,CLPs, SDCDsSDCDs, etc.): Protocolos do tipo, etc.): Protocolos do tipo DataBusesDataBuses. Exemplo Ethernet TCP/IP,. Exemplo Ethernet TCP/IP, ProfinetProfinet.. Diferentes tipos de protocolos emDiferentes tipos de protocolos em funfunçção da quantidade de dados transmitidos:ão da quantidade de dados transmitidos:
  5. 5. Protocolos de Comunicação Abertos Regras que governam a comunicação entre dispositivos eletrônicos 4 a 20 mA. Protocolos seriais. IEC 60870 101 DNP3 Modbus Comunicação Assíncrona Protocolo Setor Elétrico com arquitetura de Redes (LAN/WAN), orientado a objetos. IEC 61850 Protocolos Industriais com arquitetura de Redes (LAN/WAN), orientado a objetos. Profibus Foundation DeviceNet Modelo Mestre / Escravo Modelo de Rede Multcast
  6. 6. A INFORMAÇÃO NA CADEIA DE AQUISIÇÃO Telessinal Ponto Simples 0 Aberto 1 Fechado Telessinal Ponto Duplo 0 0 Em trânsito 0 1 Aberto 1 0 Fechado 1 1 Estado Proibido Telecomando Simples 0 Abrir 1 Fechar Posição Seccionadora ou Disjuntor Telecomando A IMPORTÂNCIA DA COMPATIBILIDADE ENTRE OS VÁRIOS ELOS Processo Elétrico Fiação – Relação TP TC Trandutores 4 A 20 mA IED ou UTR Conversores A/D Banco de Dados Protocolo de Comunicação Configuração do Protocolo Centro de Operação Banco de Dados Cliente da UTR Servidor do Aplicativo Gerencial Telecomando Duplo 0 0 Comando Proibido 0 1 Abrir 1 0 Fechar 1 1 Comando Proibido Medição KV, A, MW, MVar, Hz Conversor de12 bits Conversor de 16 bits Inteiro Ponto Flutuante Escalas de Engenharia Relações de TP e TC Conversores A / D Byte Word Long Word Aplicativo Gerencial Softwares Visuais
  7. 7. Agilidade na Comunicação (Throughput) Tempo decorrido entre a deteção de um evento e a atuação de uma saída baseada em uma decisão lógica. •1. Taxa de Transmissão •1,2 à 19,2 KBps – IEC 60870101, DNP3 •100 Mbps – IEC 61850 – TCP/IP •2. Eficiência do Protocolo – Overhead – Número total de bytes da mensagem em relação à mensagem útil - dados. •IEC 60870 101, DNP3, Modbus – otimizados para mínimo overhead •IEC 61850 TCP/IP – pouco otimizado em função das larguras de banda disponíveis atualmente •3. Modelo da Rede •3.1. ORIGEM / DESTINO •3.2. PRODUTOR / CONSUMIDOR ( Publisher / Subscriber ) ( Publicador / Assinante ) IEC 61850
  8. 8. INFORMAÇÃO – 2 Tipos 1. Não necessita referência externa : Meu endereço é Rua Dourada 1000, CEP 13.211-111, Jundiaí/SP-Brasil. 2. Necessita referência externa : Meu nome é Paulo Oliveira e meu endereço está na lista telefônica. No caso 2 a referência externa é a Lista Telefônica, que necessito consultar para achar o endereço do meu amigo. Indexação externa.
  9. 9. 2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV S/E BAN UTR Centro de Operação do Sistema 60 km Informação 01001010 01001010 01001010 01001010 11110010 00011010 01001010 Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV 2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ). 0 aberto 1 fechado n . 23 24 28 29 30 26 27 25
  10. 10. 2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV S/E BANUTR Centro de Operação do Sistema O N S 60 kmInformação 01001010 01001010 01001010 01001010 11110010 00011010 01001010 Protocolo DNP 3, IEC 101 Linha Serial Informação 1 - Disjuntor está fechado – 1 bit Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV 2 Bytes ou 4 números hexadecimal – F21A Banco de Dados da UTR deve ser compatível com o do SSC ( COS ). 0 aberto 1 fechado n . 23 24 28 29 30 26 27 25
  11. 11. 2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV Centro de Operação do Sistema 60 kmInformação Informação 1 - Disjuntor está fechado BAN / XCBR1.Pos.stVal Vai a informação completa, sem necessidade de referência externa. Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração. Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV BAN / MMXU / F21A Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados do SSC ( COS ).
  12. 12. 2 Exemplos – S/E BAN linha para XAV Informação 1 - Disjuntor está fechado Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV Centro de Operação do Sistema 60 kmInformação Informação 1 - Disjuntor está fechado BAN / XCBR1.Pos.stVal Vai a informação completa, sem necessidade de referência externa. Configura-se na origem e passa um arquivo XML para configurar o computador do COS. Simplifica trabalho de configuração. Informação 2 – BAN está recebendo 600 MW de XAV BAN / MMXU / F21A Banco de Dados da UTR “independe” do Banco de Dados do SSC ( COS ). IEC 61850 Rede TCP/IP
  13. 13. Interface RS 232 Conector DB25 – 25 pinos - SERIAL Bits de dados -12 V = 1 ou Alto, +12V = 0 ou baixo Bits dentro do Byte transmite primeiro o MSB e depois o LSB Cada Byte começa com 1 Start Bit Alto e termina com 0 a 2 Stops Bits Baixos Desocupada a linha esta Baixa 1 Start Bit 1 2 3 4 5 6 7 8 2 stops bits MSB Data Byte LSB Onda Eletromagnética – 300.000 km/segundo 9600 BPS - Bits por Segundo – 873 Bytes por seg Mensagem de 100 Bytes – 115 ms Internet Mega BPS / Giga BPS DCE 1 - CD 2 - TXD 3 - RXD 4 - DTR 5 - terra 6 - DSR 7 - RTS 8 - CTS 9 - RI DB9 Femea DTE 1 - CD 2 - RXD 3 - TXD 4 - DTR 5 - terra 6 - DSR 7 - RTS 8 - CTS 9 - RI DB9 Macho Modem Relé de Proteção PC ou Micro Cabo Multipares COMUNICAÇÃO ASSÍNCRONA
  14. 14. Interface RS 232 Ligação Ponto a Ponto • DCE – Data Communication Equipment – Modem • DTE - Data Terminal Equipment – Relé ou PC-Microcomputador • Hardware Handshake – se não usado só são necessários 3 sinais •TXD, RXD e Terra. Jumpeados 4 com 5; 6,8 com 20. •CD – Carrier Detected – avisa o PC que o modem tem uma boa conexão •CTS – Clear To Send – Modem está pronto para receber do PC •DSR – Data Set Ready – avisa o PC que o modem está pronto •DTR – Data Terminal Ready – avisa modem que o PC está pronto •RTS – Request to Send – avisa o modem que o PC quer mandar dados •RI – Ring Indicator – Modem detetou um sinal do outro modem PC RELÉModem Modem Comunicação AnalógicaSão Paulo Brasília Comunicação digital Comunicação digital
  15. 15. Exercício 1 Diagrama de um Cabo Cruzado Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) DTE DTE
  16. 16. Exercício 1 Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) Tx (2) CT 103 Rx (3) CT 104 RTS (4) CT 105 CTS (5) CT 106 DSR (6) CT 107 DCD (8) CT 109 DTR (20) CT 108 Gnd (7) CT 102 DTE DTE
  17. 17. Exercício 2 Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado - TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5 e 6,8 com 20. Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) DTE DTE
  18. 18. Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) Tx (2) Rx (3) RTS (4) CTS (5) DSR (6) DCD (8) DTR (20) Gnd (7) DTE DTE Exercício 2 Diagrama de um Cabo sem handshake – simplificado - TX com RX, Terra (Ground), jumpers nos conectores 4 com 5 e 6,8 com 20.
  19. 19. RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Association ) Half duplex, Multiponto ( 32 nós ), 1200 metros. Velocidade de 100 K a 10 MBps. Única CPU, diversos IHM endereçáveis, compartilham o mesmo cabo. Conversor RS232 para 485, isolamento ótico. Redes locais muito baratas, multidrop. Prover “Rejeição de Modo Comum” com par trançado, e blindagem. Topologia recomendada – Daisy Chain Outras Topologias BARRAMENTO Funciona mas não é o ideal Daisy Chain ESTRELA ANEL Não usar
  20. 20. CABO para RS 485 (Recomended Standard ) EIA 485 ( Electronic Industry Association ) Deve ser blindado Recomenda-se utilizar 3 vias e blindagem – até 1200 m Com 2 vias para curtas distâncias – poucos metros Função do COMUM – equalizar o potencial dos equipamentos conectados à Rede Função da BLINDAGEM : proteção contra Ruídos externos Não utilizar a BLINDAGEM como COMUM, pois colocaria o Ruído existente como referência Dado + Dado – Comum (GND) Blindagem
  21. 21. LAN – WAN – SWITCH (HUB) ROTEADOR ARP IPADDRES TABELA ROTEAMENTO LAN 1 LAN 3 LAN 2 WAN
  22. 22. Frame 802.3 MAC e Fragmentação CP LLC SNAP Dados – 38 a 1500 bytes CRCOrigem Aplicação TCP Datagrama 65535 bytes IP Quadro 1500 Bytes 802.3 MAC Mensagem com 4000 Bytes 802.3 MAC IP Quadro 1500 Bytes TCP Datagrama 65535 bytes Aplicação Encapsular - TXDesencapsular - RX Rede Sincronização 1500 1500 1000 Destino LLC – Logic Link Control SNAP –Subnetwork Access Control Ethertype Endereço IPEndereço MAC
  23. 23. Modelo OSI 7 Camadas Modelo TCP/IP 4 Camadas Modelo 5 Camadas 7. Aplicação : HTTP, Browser, Internet Explorer (Windows), MozillaFirefox (Linux); IPhone, Ipod (Apple); FTP, Telnet, SNMP, Email, PING; SSC Spin, SSC Sage; Softwares proprietários de Relés de Proteção ABB, SIEMENS, AREVA, SEL para Análise de Perturbação 4. Transporte : TCP, UDP 3. Rede : IP ( IPv4, IPv6), ARP, RARP, ICMP 2. Enlace : Ethernet, 802.11, WiFi, HDLC, Token Ring, FDDI, Frame Relay, USART 1. Física : Modem, RS232, RS485, DB 9, DB 25, EIA 422, Bluetooth, USB, UTP, RJ 45
  24. 24. ARP – Address Resolution Protocol IP MAC 10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1 IP MAC 10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23 IP MAC 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa
  25. 25. ARP – Address Resolution Protocol O primeiro endereço da Tabela ARP é o dele mesmo IP MAC 10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa 10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23 IP MAC 10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa 10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1 IP MAC 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa 10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23 10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1 Há uma troca automática de mensagens e a Tabela ARP é montada
  26. 26. ARP – Address Resolution Protocol O primeiro endereço da Tabela ARP é o dele mesmo IP MAC 10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.3 08:00:20:f2e7fa 10.12.123.2 01:00:5e:a7:41:23 10.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a IP MAC 10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23 10.12.123.3 08:00:20: f2:e7:fa 10.12.123.1 00:20:af: f2:e7:f1 10.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a IP MAC 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa 10.12.123.2 08:00:20a7:41:23 10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1 10.12.123.4 01:00:ce:a2:3a Há uma troca automática de mensagens e a Tabela ARP é montada Adiciono um 4º computador IP MAC 10.12.123.4 01:00:5e:ce:a2:3a 10.12.123.3 08:00:20:f2:e7:fa 10.12.123.2 08:00:20:a7:41:23 10.12.123.1 00:20:af:f2:e7:f1
  27. 27. PROTOCOLO MODBUS Desenvolvido pela Modicon, década de 1970, é uma das primeiras implementações de protocolos seriais, continua em utilização. Modelo mais simples. Não define tipo de dados ou codificação da informação. Não define mapeamento padrão. Não possui estampa de tempo nativa. Mestre/Escravo, 1 mestre e até 247 escravos.
  28. 28. Modelo do Protocolo MODBUS Aplicação Físico Aplicação Físico Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriu MODBUS - Funções e Mapas de Memória Disjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0 B 7 0 B 7 0 Encapsular Coloca a informação na Tela do Operador na S/E ou no COS 1 2 B 7 0 B 7 0 Desencapsular Origem - S/E BandeirantesDestino – COS End crc End crc
  29. 29. Resumo da Funções MODBUS 0x03: READ HOLDING REGISTER 0x04: READ INPUT REGISTER 0x05: FORCE SINGLE COIL 0x06: PRESET SINGLE REGISTER 0x16: PRESET MULTIPLE REGISTER 0x07: READ EXCEPTION STATUS Existem funções proprietárias Existem funções que suportam broadcast (todos os escravos a processam)
  30. 30. MODBUS DÚVIDA FREQUENTE QUESTÃO DO MAPA DE ENDEREÇOS Função 0x04 ( Read Input Register ) : 30001 em diante (ex: 30015) Transmissão: 30015 –30001 = 14 = 0x0E Função 0x03 ( Read Holding Register ) : 40001 em diante (ex: 40002) Transmissão: 40002 –40001 = 01 = 0x01 IMPORTANTE Não há confirmação de recebimento de dados nativa Não existe padronização no formado de dados Não existe padronização no mapa de memória
  31. 31. Como Funciona o Meio de Transmissão ? Onda Eletromagnética propagando num par de fios Circuito Aberto Onda Refletida Casamento de Impedância Terminadores Atenuação - Onda Estacionária Atenuação – Dissipação da energia na impedância do cabo Área Classificada Segurança Intrínseca À prova de explosão FISCO – Fieldbus Intrinsically Safe Concepty Ignition Curves
  32. 32. Aplicação Típica - Malha de controle Transmissor (Sensor) Controlador (PID) Atuador (Posicionador da Válvula) Nível Posição da Válvula Entrada Controle Saída ProcessoProcesso Realimentação Nível Objetivo Parâmetros Controle Limites Transmissâo contínua Acesso esporádico REQUISITOS SISTÊMICOS FUNDAMENTAIS 1. O DADO SÓ TEM IMPORTÂNCIA NA HORA QUE FOI GERADO. REDE CONFIÁVEL. RETRANSMISSÕES NÃO SÃO A SOLUÇÃO. DETERMINISMO. 2. INDEPENDÊNCIA DE FORNECEDOR COMO NA TECNOLOGIA 4 A 20 mA
  33. 33. IEC 61158 @ 31.25 kbit/s IEC 61158 - DLL IEC 61158 - FMS H1 USER LAYER DD – IEC 61804-2 AUTOMAÇÃO COMUNICAÇÃO Transferir a informação de um ponto a outro IEC 61158 @ 31.25 kbit/s IEC 61158 - DLL IEC 61158 - FMS H1 USER LAYER DD – IEC 61804-2 1. Vazão 90 cm3/seg 90 90FMS 90FMSDLL 90FMSDLL Camada Física Encapsular 2. Vazão 90 então abre a válvula 90 90 90 90FMSDLL FMSDLL FMS Desencapsular Objeto de Dados
  34. 34. para compelir ospara compelir ospara compelir ospara compelir os Camada de Enlace de Dados – DLL Data Link Layer
  35. 35. Estou Vivo Varredura a cada 150 ms 3 falhas sai da Live List ( 450 ms ) Camada de Enlace de Dados – DLL Data Link Layer
  36. 36. Subcamada de Acesso ao Barramento – Fieldbus Access Sublayer
  37. 37. Trocador de Calor 1. Vapor flui pela tubulação espiral, inserida num recipiente, onde passa o fluído do processo. 2. Objetivo é aquecer o fluido do processo até uma temperatura definida. PROCESSO DE CONTROLE CONTÍNUO - CASCATA O controle está distribuído na rede, não depende de um processador central. Conceito de Macrocycle Um único barramento Fluxo de Vapor Fluido do Prpcesso
  38. 38. Temporização do controle em cascata - Macrocycle
  39. 39. SENSOR DE TEMPERATURA Dispositivo inteligente, emite um “bad status”, passa controle para manual. Envia mensagem para o supervisório. SENSOR DE FLUXO Posiciona a Válvula de acordo com critérios de segurança pré- estabelecido. Abre totalmente Fecha totalmente Mantém a última posição CONTROLE EM CASCATA Falha no SENSOR DE TEMPERATURA Falha no SENSOR DE FLUXO Um único barramento CONCEITO DE SEGURANÇA DE REDE FAIL SAFE FAULT STATE Fluxo de Vapor Fluido do Prpcesso
  40. 40. CONTROLE DISCRETO Processo de enchimento de galões com líquido, sobre uma esteira rolante
  41. 41. Redes de Campo – FF Schedule Building Tool Software Configurador de Rede
  42. 42. Network Segment Execution Time Macrocycle - Orientações da Norma Deixar 50% da banda (tempo) para Unscheduled. Deixar “spare time” – Totaliza - 70 % para Unscheduled. Constatações Estatísticas – Loop de Controle deve ser 6 vezes mais rápido que o processo. Tempo de um Bloco de Função – Multiplicar por 3.
  43. 43. 1. Profibus = Process Field Bus 2. Criado por iniciativa da Siemens, Bosch, e Klockner-Moeller em 1987 3. Norma EN 50170/50254 4. Controle de Processos pelo padrão Profibus PA 5. Segurança Intrínseca IEC 61158-2 no padrão PA 6. Tendência de integração de camadas (DP, PA e Profinet). PROFIBUS
  44. 44. Redes de Campo – ProfiBus DP
  45. 45. PROFIBUS
  46. 46. PROFIBUS
  47. 47. PROFIBUS
  48. 48. - PA - DP PROFIBUS
  49. 49. Redes de Campo Device Coupler Device Coupler TRUNKGUARD Proteção Contra Curto Circuito Dispositivo Logica LED OFF LED ON Derivação (Spur) Tronco Dispositivo consome a Corrente Normal, a chave está Fechada, a derivação está ativa LED VERDE ON LED VERMELHO OFF
  50. 50. Redes de Campo Device Coupler Device Coupler TRUNKGUARD Proteção Contra Curto Circuito Circuito Lógico deteta uma falha, abre a chave A carga em falha é desconectada do seguimento LED VERDE OFF LED VERMELHO ON Logica FALHA Device Tronco
  51. 51. Redes de Campo Device Coupler Device Coupler TRUNKGUARD Auto Terminação Circuito de Auto Terminação – Ligado Ultima caixa do Segmento SAÍDA DO TRONCO ENTRADA DO TROCO Logica TERMINATOR LED
  52. 52. Redes de Campo Device Coupler Device Coupler TRUNKGUARD Auto Terminação Circuito de Auto Terminação – Desligado Segmento com mais dispositivos Logic TERMINATOR LED Segment Communications ENTRADA DO TROCO SAÍDA DO TRONCO
  53. 53. DeviceNet Conceitos Fundamentais Planejamento e Instalação CAN – Controller Area Network CIP – Commom Industrial Protocol Redes Seguras DeviceNet Baseline and Test Report ODVA – Open DeviceNet Vendor Association
  54. 54. • Desenvolvida pela ALLEN BRADLEY em 1994 e é baseada no protocolo CAN dos anos 80. • Protocolo CAN foi desenvolvido pela BOSCH, para a indústria automobilística. • Principais Fornecedores de Chip CAN – Intel, Motorola, Philips, Nec, Hitachi, Siemens. DEVICENET RESUMO
  55. 55. • É uma rede de comunicação de baixo custo idealizada para interligar equipamentos industriais utilizando o mesmo meio físico. Um par de fios. – velocidade 500 khz • DEVICENET é um protocolo aberto e difundido pela ODVA • Da mesma família CIP do DeviceNet : • ControlNet – 5 MBits/s – 1997 • EtherNet IP 2000 • Network Safe 2004 DEVICENET RESUMO
  56. 56. DEVICENET RESUMO
  57. 57. Terminal múltiplo Terminal “T” Segmentos da linha tronco -conectores moldados Derivações - conetores moldados - 0 a 20 ft. Conectores da linha tronco instalados no campo - rosqueados - prensados CONEXÕES SELADAS
  58. 58. Tronco Tronco Derivações Derivações Terminais podem ser montados em painéis ou caixas de junção Derivações com comprimento zero Suporte a conexões temporárias CONEXÕES SELADAS
  59. 59. Dispositivo 1 Valor Medido = Peso1 Um objeto do modelo CIP Peso1 CIP CAN Peso1 CAN TRATRA Peso1TRA Meio Físico DeviceNet Cabo com 2 pares + 1 condutor blindagem : 1 par para Comunicação e outro para a Fonte de Alimentação CAN TRA CIP EncapsularDesencapsular Peso1TRACAN Peso1TRA Peso1 Aparece no visor e Armazena em Banco de Dados Dispositivo 2 Camada Física Camada Física DEVICENET
  60. 60. 1. Desenvolvido pela Phoenix Contact, da Alemanha 2. Várias outras empresas fabricam produtos compatíveis 3. Está sendo padronizado pela DIM e pela IEC 4. Usado para interligação de sensores e atuadores a um elemento inteligente (CLP, CNC, etc.) 4. Norma DIN 19258 e em 2000 atende a IEC 61158 5. Scaners para PLC ou diretamente em PC através de software específico 6. Única rede com scan de todos os escravos em um único ciclo INTERBUS
  61. 61. INTERBUS
  62. 62. INTERBUS
  63. 63. FRAME DE DADOS - INTERBUS INTERBUS
  64. 64. 1. Actuator/Sensor Interface (AS-I) 2. Desenvolvida por um consórcio de 11 empresas em 1992 lideradas pela Siemens, Festo e Turck. 3. Usada para interligação de elementos binários (sensores, atuadores, botões liga/desl., relés, etc.) a um elemento inteligente (CLP, CNC, PLC, PC, etc.) 4. Norma IEC 50295 e IEC 62026 5. Pode ser interconectada com CAN, Profibus, FIP, Interbus, RS-232, RS-485, etc. 6. Na versão 2.1 conecta até 62 elementos incluindo dados analógicos. ASI
  65. 65. Standard PLC and standard master Safety monitor Safe emergency stop button ASi power unit Safe position switch Safe light barrier Standard module Safe module Standard module ASI
  66. 66. ASI
  67. 67. AS-Interface-conector vampiro Os chips para a versão 2.1 da rede ASI são produzidos por dois consórcios distintos: Siemens e Festo desenvolveram em conjunto o chip SAP4. 1, pino a pino compatível com o chip SAP4, e o consórcio de oito outros membros (Bosch, Hirsch Mann, ifm electronic, Leuze, Lumberg, Klockner Moeller, Pepperl+Fuchs and Schneider Electric) desenvolveu o chip A2SI. Ambos os chips proporcionam todas as funcionalidades da version 2.1. ASI
  68. 68. Protocolo HART
  69. 69. Protocolo HART
  70. 70. HART funcionamento
  71. 71. WIRELESS - Acesso a informações antes inacessíveis por critérios econômicos
  72. 72. LAN Wireless HUB, SWITCH CSMA/CD - ETHERNET MODULAÇÃO BANDA BASE MAC ADDRESS, ARP. Física Enlace TCP/IP Aplicação LAN – Cabo UTP Meio físico único, onde todo mundo fala. Necessita de um mecanismo para organizar a sequência de quem fala. CSMA/CA OFDM*/QAM FHSS/DSSS *Diferencia os usuários pelas frequências (grupos) ortogonais. (equivalente ao MAC Address). Meio físico único, onde todo mundo fala. Necessita de um mecanismo para organizar a sequência de quem fala. 2,4GHZ Enlace ** **STAR, MESH, CLUSTER TREE Física
  73. 73. Modelo do Protocolo Aplicação Enlace Físico Aplicação Enlace Físico Objeto de dados Ex: S/E BAN Disjuntor 7 abriu Objeto IEC Classe 1 Tipo 30 Conteúdo Disjuntor 7 Aberto - Informação => B 7 0 B 7 0 B 7 0ENL Encapsular Coloca a informação na Tela do Operador na S/E ou no COS 1 2 B 7 0 B 7 0 ENL Desencapsular Origem - S/E BandeirantesDestino – COS
  74. 74. Dados de Aplicação Inicio (68H) L Controle Fim (16H) Checksum L Inicio (68H) Endereço (opc.) Dados Application Service Data Unit (ASDU) Link Service Data Unit (LSDU) Protocol Data Unit (PDU) Camada de Aplicação
  75. 75. Comando de Interrogação Geral Tipo = 100 Estrutura variável= 1 Endereço do objeto de informação = 0 Causa (6=ativação, 7=confirmação) Endereço comum da ASDU = 1 Qualificador da Interrogação = 20 (global) TX: 68 09 09 68 73 06 64 01 06 01 00 00 14 F9 16 RX: 68 09 09 68 08 06 64 01 07 01 00 00 14 8F 16 ASDU LSDU PDU
  76. 76. Semântica dos TIPOS de Informação -- ID Tipo Informações de Processo Direção de Monitoração <1>:= Ponto simples M_SP_NA_1 <2> :=Ponto simples com etiqueta de tempo M_SP_TA_1 <3>:=Ponto duplo M_DP_NA_1 <4>:=Ponto duplo com etiqueta de tempo M_DP_TA_1 <5>:=Posição de passo M_ST_NA_1 <6>:=Posição de passo com etiqueta de tempo M_ST_TA_1 <9>:=Medida, valor normalizado M_ME_NA_1 <30>:=Ponto simples, etiqueta CP56Time2a M_SP_TB_1 <31>:=Ponto duplo, etiqueta CP56Time2a M_DP_TB_1
  77. 77. Semântica dos TIPOS de Informação -- ID Tipo Informações de Processo Direção de Controle <45>:=Comando simples C_SC_NA_1 <46>:=Comando duplo C_DC_NA_1 <47>:=Comando aumentar/diminuir passo C_RC_NA_1 <48>:=Comando set point, valor normalizado C_SE_NA_1 <49>:=Comando set point, valor em escala C_SE_NB_1 <50>:=Comando set point, ponto flutuante C_SE_NC_1 OBS: Estas ASDUS exigem confirmação e devem ser espelhadas na direção de monitoração, com diferentes causas de transmissão.
  78. 78. ASDUs do IEC 101 e complementares 4.Aplicação 3.Transporte-TCP 2.Internet-IP 1.Física ethernet-MAC add ASDUs do IEC 101 e complementares 4.Aplicação 3.Transporte-TCP 2.Internet-IP 1.Física ethernet-MAC add LAN CAV_Dj1_0_1 TCP CAV_Dj1_0_1 CAV_Dj1_0_1 CAV_Dj1_0_1 TCPIP TCPIPMAC Encapsular IEC 60870 104
  79. 79. DNP3.0 DNP - Distributed Network Protocol - GE Harris Utiliza camada de enlace do IEC 60870-5-2 Transferido para o grupo DNP em 1993 (www.dnp.org) Dominante na América do Norte Conjunto de Documentação DNP V3.0 Data Object Library DNP V3.0 Application Layer Specification DNP V3.0 Transport Functions DNP V3.0 Data Link Layer
  80. 80. Modelo do Protocolo Aplicação Transporte Enlace Físico Aplicação Transporte Enlace Físico Objeto de dados Ex: S/E Cabreúva Disjuntor 1 abriu DNP 3 - Objeto 1 Variação 2 Qualificador 1 Disjuntor 1 Aberto - Informação => C 1 1 C 1 1 C 1 1TRA C 1 1ENL Encapsular Coloca a informação na Tela do Operador na S/E ou no COS 1 2 C 1 1 C 1 1 C 1 1 ENL TRA TRA TRA Desencapsular Origem - S/E CabreuvaDestino - COS ( fragmentação )
  81. 81. Estrutura Simplificada de um Protocolo ID x BYTES Destino x BYTES Origem x BYTES Dados Úteis x BYTES Fim x BYTES Formato FT3 Start 05 Start 64 Comprimento (lenght) DestinoControle Destino OrigemOrigem crc1 crc2 2 bytes 2 bytes Total = 10 bytes
  82. 82. Visão panorâmica do DNP3 Menagem DNP3 com 750 bytes Aplicação Camadas Pseudo Transporte Enlace 250bytes 250bytes 250 bytesTH TH TH ... Até 16 blocos com 18 bytes. O último bloco fica com o número de bytes quebrado.Formato FT3 Exemplo TH Bloco zero com 10 bytes
  83. 83. Tipos de Leituras de Dados Quiescent Operation Escravo envia dados espontaneamente. Mestre não faz varredura Unsolicited Report-by-Exception Operation Espontâneo + Integridade (Classe 0) Polled Report-by-Exception Operation Evento (Classe 1,2,3) + Integridade (Classe 0) Polled Static Integridade (Classe 0)
  84. 84. Níveis no DNP V3.00 Nível 1 Descreve os requisitos mínimos do protocolo para comunicação entre uma estação mestre e um IED Nível 2 Descreve os requisitos do protocolo, ligeiramente maior que Nível 1, que pode ser implementado tipicamente entre uma estação mestre e um grande IED ou UTR Nível 3 Descreve os requisitos do protocolo, maior que Nível 2, que pode ser implementado entre uma estação de mestre e uma UTR mais avançada
  85. 85. Exemplo RX: 05 64 1E 44 00 00 01 00 16 0D E6 E8 81 00 00 20 02 17 04 0A 01 2F 0A 00 01 65 03 86 65 06 01 4E 0C 03 01 B0 FD 6C 88 Obs: Objeto 32 variação 2 -> Objeto analógico de 3 octetos Analógico 16 bits Flag - 01 = on line Header TH IIN OBJ Application FIN FIR Seq 81 = Response Qualificador Quantidade Índice 8 bits Flag 8 bits Valor 16 bits
  86. 86. Objeto Objeto – Indica o tipo de dados Binary Input Binary Output Analog Input Analog Output Counters
  87. 87. Estrutura do Biblioteca DNP Binary Input – Objetos de 1 - 9 Binary Output – Objetos de 10 - 19 Counters – Objetos de 20 - 29 Analog Input – Objetos de 30 - 39 Analog Output – Objetos de 40 – 49 Time – Objetos de 50 – 59 Class – Objetos de 60 – 69
  88. 88. Variação É a forma como são transmitidos os dados. Valor Analógico 16 bits Valor Analógico 32 bits Ponto Digital sem Estampa de Tempo Ponto Digital com Estampa de Tempo
  89. 89. Camada de Aplicação - Qualifier Como o campo Range será interpretado Pergunta 1 – Forneça as Medições ( objeto 30 variação 2 ) do endereço 25 ao endereço 28. Pergunta 2 – A partir do endereço 25 forneça 3 Medições Pergunta 3 – Forneça as Medições 25, 28, 47. Resposta 1 – 25 01 02 03 Resposta 2 – 25 01 02 03 Resposta 3 – 25 01 28 02 47 03
  90. 90. Comentários Gerais Protocolos Seriais IEC 60870 101 - DNP 3 - MODBUS Custos altos nos processos de engenharia. Cada protocolo tem a sua própria estrutura de representação de dados. US$ 28 Bi foram gastos no mundo em 1998. Publicação Forrester Inc. Gateways. Muitos protocolos – Limitação da interoperabilidade. Diferentes funcionalidades. Protocolos Proprietários – Dificultam o uso de ferramentas de mercado e do seu desenvolvimento. Diferentes padrões entre América, Europa e Ásia. Perfil do Protocolo – Profile Procedimentos de Certificação Mercado Global requer : Redução de custo e competição. Padrões abertos que protejam os investimentos de obsolescência rápida no futuro.
  91. 91. GOMSFE - Generic Object Model Substation Feeder Equip. MMS - Manufacturing Message Specification UCA/IEC 61850 GOMSFE CASM MMS 4.Aplicação 3.Transporte-TCP 2.Internet-IP 1.Física ethernet-MAC add UCA/IEC 61850 GOMSFE CASM MMS 4.Aplicação 3.Transporte-TCP 2.Internet-IP 1.Física ethernet-MAC add LAN CAV_Dj1_0_1 TCP CAV_Dj1_0_1 CAV_Dj1_0_1 CAV_Dj1_0_1 TCPIP TCPIPMAC Encapsular Dispositivo Lógico / Nó Lógico / Objeto de Dados
  92. 92. IEC 61850 FAQs – Perguntas frequentes Esta tecnologia vai se tornar realidade ou é mais um vaporware ? Asset Management ? Gerenciamento de Ativos ? Por que devemos utilizá-la ? Que vantagens teremos ? Eu entendo de proteção, agora necessito entender de redes de computadores ? Eu entendo de redes de computadores, agora necessito entender de proteção ? O IEC 61850 é um protocolo de comunicações ? Ora, então que o pessoal de comunicações cuide dele. Por que misturar proteção, supervisão, redes ? Estávamos tão bem, cada um no seu mundo. É realmente necessário ? Estamos abrindo um buraco na segurança ? E os algorítimos de proteção, estudos, ordens de ajuste, lógicas de controles e intertravamentos ?
  93. 93. IEC 61850 Conceitos Essenciais Automação da Subestação é uma rede de computadores. Relés de proteção, oscilógrafo, controles de bay, supervisório, etc, possuem endereço IP, MAC Address, etc . IEC 61850 codificou a informação. Transporte ficou com TCP/IP. Dispositivo Lógico/Nó Lógico/Objeto de Dados. GOOSE – General Object Oriented Substation Event –TRIP Só na Barramento de Estação local da S/E, entre relés de um esquema de proteção, não roteável, possui requisitos rígidos de velocidade e determinismo. Redes mistas, anel de fibra ótica, com protocolo RSTP para Relés de Proteção, e estrela (switch) concentrando os demais equipamentos. Gerenciamento de Ativos. Asset Management. Projetar/configurar. Ferramentas de software. Configuradores SCL. Arquivos de Configuração - .ssd, .icd, .scd, .cid
  94. 94. Arquitetura Tradicional Seccionadora, Disjuntor, Transformador Fiação de Cobre Unidade Terminal Remota 440 KV 138 KV Ponto a Ponto Serial Proteção da Alta Controle de Bay Oscilografia Proteção da Baixa cos
  95. 95. Nova Arquitetura Hardware/Topologia de Rede Seccionadora, Disjuntor, Transformador Unidade Terminal Remota Servidor de Subestação Supervisório Local 440 KV 138 KV COS Ponto a Ponto Serial Fibra Ótica Proteção da Alta Controle de Bay Oscilografia Proteção da Baixa
  96. 96. Dispositivo Lógico / Nó Lógico / Objeto de Dados 440 KV 138 KV TP TC TVTR TCTR XCBR ATCC XSWI MMXU PDIS GGIO GAPC Ultrapassou Limite Superior RFLO RDRE Distancia MW Registrador XARC Soma corrente GGIO - Generic input/Output GAPC - Automatic Process Control XARC - Monitoring for arcs RFLO - Fault Locator RDRE - Disturbance Recorder ATCC - Tap changer controller
  97. 97. BAN01/Q0CSWI1.Pos.ctlVal Nome do Dispositivo Lógico (livre) Prefixo do nome do Nó Lógico (livre) Nome do Objeto de dados (fixo) Nome do atributo (fixo) Classe Nó Lógico (fixo) Sufixo do nome do nó lógico (livre) Nome do Nó Lógico IEC 61850-7: Mensagem para abrir/fechar um disjuntor
  98. 98. IEC 61850 – Conceito GOOSE GOOSE Sender Device X GOOSE Receiver Device Y GOOSE Receiver Device Z Ethernet O dispositivo envia informação em multcast O assinante (subscriber) recebe esta mensagem. Não assinantes a ignoram. Z é um assinante e recebe a mensagem. Y não é um assinante e a ignora. EXEMPLO: GOOSEmessage GOOSE (Generic Object Oriented Substation Event)
  99. 99. Tagged Internet Frame Quadro de Internet com TAG de Prioridade Pre 7 SFD 1 DA 6 SA 6 TAG Prior 4 ET 2 CP TP 2 MAC - Dados 46 – 1500 bytes FCS 4 •Tag de Prioridade ( Virtual LAN) 2 bytes para identificação do TAG – IEEE 802.1Q Virtual Bridge Local Area Network 2 bytes para informação de controle do TAG • EtherType – 2 bytes para indicação do tipo de protocolo no pacote ethernet
  100. 100. Comparação entre Protocolos - * R=Redes *B=Bit+byte+packet *TR=Tempo Real Mestre/EscrNão4 kL. BandaProtocoolProt / byteDezenas milis 4 a 20 mA Carrier SupervisãoHart Mestre/EscrNão127 KL. Banda Velocidade ProtocoloProt / bitMilisegBarram Prop 2 fios Controle Manufatura ASI Mestre/EscrNão500 KL. Banda Velocidade ProtocoloProt / bitMilisegRS485 4 fios EIA 422 Controle Manufatura Interbus Fieldbus Cli/Serv Eth Multcast CSMA/BA Não500 K 100 M Simplific. Eng. Tec. Objetos Arquitetur Automaç CSMA/BA *R *B Dezenas milis Barr Campo 4 fios Controle Manufatura Devicenet Fieldbus Cli/Serv Eth Multcast Tok Não31,25 K 100 M Simplific. Eng. Tec. Objetos Arquitetur Automaç Token *R *B Dezenas milis Barr Campo 2 fios PA Controle Processo Profibus DP PA Fieldbus Cli/Serv Eth Multcast LAS Não31,25 K 100 M Simplific. Eng. Tec. Objetos Arquitetur Automaç LAS *R *B Dezenas milis Barr Campo 2 fios Controle Processo Foundation Fieldbus Cli/Serv Eth Multcast Eth Sim100 M Proteção Simplific. Eng. Tec. Objetos Arquitetur Automaç CSMA/CD *R *B Seg, mili, microseg Ethernet GOOSE Automação Scada*TR IEC 61850 Autom. Substação M/M Mest/EscSim9,6 KL. BandaBal DesProt / byteSegRS232 EtherScada*TRDNP3 Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegEthernetScada*TRIEC104 Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS232Scada*TRIEC103Proteção Mestre/EscrSim9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS232SCada*TRIEC101 Mestre/EscrNão9,6 KL. BandaP. DesbalProt / byteSegRS485, 232Scada*TRModbus MODELOSOE NAT FREQ HZ TIPICA troughput REGRA DE DESENVOLV CLASSI - FICAÇÃO ACESSO MENSAG troughp. TEMPO troughput CAMADA FÍSICA USO PRINCIP CAMADA APLICAÇÃO
  101. 101. Comparação Topologias - Barramento – Estrela – Anel Malha - MeshPonto de AcessoNão aplicávelFHSS / DSSSWIRELESS Não aplicávelCaso Particular Barrament. Deriv. Tronco (trunk) e Derivações (spurs) 4 fios 2Alim 2Sinal 2 fios Interbus Fieldbus ASI Não aplicávelSó para camada física Ethernet Tronco (trunk) e Derivações (spurs) 4 fios / Ethernet 2 Alim / 2 Sinal Devicenet Field Não aplicávelSó para camada física Ethernet Tronco (trunk) e Derivações (spurs) 2 fios Ethernet Alim+Sin juntos Profibus DP PA Fieldbus Não aplicávelSó para camada física Ethernet Tronco (trunk) e Derivações (spurs) 2 fios Ethernet Alim+Sin juntos Foundation Fieldbus Tagged Switches RSTP – Fibra Ótica Tagged Switches Cabo UTP / Fibra Ót Cascata de switchEthernet TCP/IP Redundância IEC 61850 Autom. Substação - LAN Não aplicávelMestre/Escravo TCP/IP é só meio Cabo coaxial -obsoletoEthernet TCP/IPIEC 104, DNP3- TCPIP - LAN Não aplicávelMestre/Escravo Computador/UTR Não aplicávelRS232 USART MODBUS, IEC 101, 103, DNP - Full, Half Não aplicávelCaso Particular Barrament Deriv. Daisy Chain – sem derivações–Recom RS 485 - 4 ou 2 fios, Alim+Sinal MODBUS ( Full Duplex-4 fios, Half Duplex-2 fios) AnelEstrelaBarramentoCamada Física
  102. 102. COMPARAÇÃO DE TOPOLOGIAS Barramento – Estrela – Anel MédioMaior – “home run cabling” caro MenorCusto PiorMelhorMédiaLatência MelhorMédioPior – switches em cascata Redundância AnelEstrelaBarramento Latência – Tempo de um pacote internet sair de um IED e chegar ao destino. Utilizar Switches com RSTP, VLAN, QoS (prioridade para GOOSE ), Tagged Ethernet, segregação de redes de Alta Prioridade.

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