Apostila Redes Industriais IV - Prof. Camilo A. Anauate 2013

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Protocolos de rede para comunicação de sinais em malhas de controle industriais, automação de processos, integração de sistemas supervisórios e instrumentação.

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Apostila Redes Industriais IV - Prof. Camilo A. Anauate 2013

  1. 1. REDES INDUSTRIAIS APOSTILA IV Curso Superior Tecnológico em Automação Industrial Prof. Camilo Alberto Anauate 20/05/2013
  2. 2. XVI – PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO FOUNDATION FIELDBUS Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  3. 3. Arquitetura do Foundation FieldBus Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  4. 4. FOUNDATION Fieldbus (FF) Deve-se tomar cuidado para não confundir o nome da rede FOUNDATION Fieldbus com o da fundação que a criou e a mantém, esta sim denominada Fieldbus Foundation. Os princípios básicos definidos no surgimento do FOUNDATION Fieldbus incluem duas pedras fundamentais: a adoção dos dois principais mecanismos de acesso ao meio, e a ênfase em uma descrição padronizada dos dispositivos. Circulação de token e acesso agendado eram bons, mas insuficientes; sendo complementares. A Fieldbus Foundation adotou uma abordagem para dispor tanto da filosofia programada do FIP, quanto da filosofia de rotação de token do PROFIBUS. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  5. 5. Conceitos do FF A ênfase em uma descrição padronizada permitiu evitar a situação na qual, após definir a pilha de comunicação, muito ainda precisaria ser feito para tornar os dispositivos operacionais após conectá-los ao barramento. FOUNDATION Fieldbus tinha esse conceito em mente desde o começo e incluiu a definição das semânticas dos dados mais suas configurações, e usou dentro do primeiro conjunto de especificações. As especificações FOUNDATION Fieldbus incluem duas diferentes configurações: H1 e HSE: ◦A configuração H1 interconecta equipamentos de campo como sensores, atuadores e I/Os, e funciona a 31,25 kbps; ◦HSE provê integração dos controladores (como sistemas digitais de controle distribuídos e CLPs), dos subsistemas H1, dos servidores de dados e estações de trabalho, e funciona à 100 Mbps. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  6. 6. Exemplo de Uso do FOUNDATION Fieldbus em uma Planta Industrial Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  7. 7. Blocos de Recursos e Transdutor Tanto o H1 quanto o HSE possuem uma camada de aplicação de usuário, que é baseada em blocos representando os diferentes tipos de aplicações. Os tipos de blocos são: recursos, transdutor e funções. O bloco de recursos descreve características do dispositivo de campo, tais como nome, fabricante e número de série. Há apenas um bloco de recurso por dispositivo. Os blocos de transdutor são usados para configurar os dispositivos de campo. Eles desacoplam os blocos de funções das funcionalidades de entrada/saída locais exigidas na leitura de sensores ou comando de atuadores. Eles contêm informação como dados de calibração e tipo de sensor. Normalmente há um transdutor para cada entrada e saída do bloco. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  8. 8. Blocos de Função Os blocos de função provêm o controle e comportamento do sistema através de automações padronizadas. Os parâmetros de entrada e saída dos blocos de função podem ser ligados diretamente no barramento, e suas execuções são precisamente agendadas; A Fieldbus Foundation definiu um conjunto de blocos de função padrão que podem ser combinados e parametrizados para criar um dispositivo e alcançar a funcionalidade desejada; O uso de uma linguagem descritiva de dispositivos, a DDL (device description language) descreve formalmente o dispositivo e pode ser interpretada pela biblioteca de serviços de descrição de dispositivos disponível no FOUNDATION Fieldbus; As descrições também podem incluir pequenos programas para interação com o dispositivo (por exemplo, para calibração), assim como capacidade de carregar atualizações. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  9. 9. Descrições dos Blocos e Função Tal descrição age como um driver para cada dispositivo onde uma hierarquia é seguida: (1) parâmetros universais do dispositivo; (2) parâmetros comuns a cada bloco e função; (3) parâmetros comuns aos blocos transdutores; (4) parâmetros específicos do fabricante. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  10. 10. Blocos de Aplicação de Usuário FF-890 Function Block Application Process - Part 1 FF-891 Function Block Application Process - Part 2 FF-892 Function Block Application Process - Part 3 FF-893 Function Block Application Process - Part 4 FF-894 Function Block Application Process - Part 5 FF-902 Transducer Block Application Process - Part 1 FF-903 Transducer Block Application Process - Part 2 TN-003 Profile & Profile Revision Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  11. 11. Especificação do FF-891 Part 2 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Nome da Função do Bloco Símbolo Nome Original Entrada Analógica AI Analog Input Saída Analógica AO Analog output Bias / Ganho BG Bias / Gain Seletor de Controle CS Control Selector Entrada Discreta DI Discrete Input Saída Discreta DO Discrete Output Carregador Manual ML Manual Loader Proporcional e Derivativo PD Proportional / Derivative Proporcional, Integral e Derivativo PID Proportional / Integral / Derivative Razão RA Ratio
  12. 12. Especificação do FF-892 Part 3 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Especificação do FF-893 Part 4 Nome da Função do Bloco Símbolo Nome Original Controle de Dispostivo DC Device Control Divisor e Saída OS Output Splitter Caracterizador e Saída SC Signal Characterizer Compensação de Avanço/Atraso LL Lead Lag Tempo de Inatividade DT Dead Time Integrador (Totalizador) IT Intergrator (Totalizer) Gerador de Rampa para o Setpoint SPG Setpoint Ramp Generator Seletor de Entrada IS Input Selector Aritmética AR Arithmetic Temporizador TMR Timer Alarme Analógico AAL Analog Alarm Nome da Função do Bloco Símbolo Nome Original Múltiplas Entradas Analógicas MAI Multiple Analog Input Múltiplas Saídas Analógicas MAO Multiple Analog Output Múltiplas Entradas Discretas MDI Multiple Discrete Input Múltiplas Saídas Discretas MDO Multiple Discrete Output
  13. 13. Objetos Suportados Link Objects define as ligações entre as entradas e saídas dos Blocos de Função internos aos dispositivos e através de toda a rede; Trend Objects permitem a formação de tendências nos parâmetros dos blocos de função locais para acesso dos hospedeiros e outros dispositivos Alert Objects permitem o informe de alarmes e eventos no barramento fieldbus. Multi-Variable Container (MVC) Object serve para “encapsular” múltiplos parâmetros os blocos de função para otimizar comunicações para transações Produtor-Consumidor e de Distribuição de Informes. Tem uma lista de configuração de usuários para definir os parâmetros requeridos, cujos valores dos dados estão referenciados numa lista de variáveis. View Objects são agrupamentos prédefinidos de parâmetros dos blocos setados que podem ser mostrados por uma interface homem-máquina. A especificação dos blocos de função define quatro visões de cada tipo de bloco. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  14. 14. FFB – Flexible Function Block Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Permite ao fabricante ou usuário definir parâmetroe e algoritmos dos blocos para satisfazer uma aplicação que coopera com blocos de funções standard e sistemas host
  15. 15. Exemplo de um Loop e Controle usando Blocos de Função Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Quadro 1 – Operation Dynamic – Informação requerida pelo operador para executar o processo; Quadro 2 – Operation Static – Informação que também precisará ser mostrada quando tiver de ser lida; Quadro 3 – All Dynamic – Informação em constante transformação que poderá ser referenciada detalhadamente; Quadro 4 – Other Static – Informação de configuração e manutenção.
  16. 16. Atuação dos Blocos no Exemplo Dado Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Quadro 1 Quadro 3
  17. 17. Sensor 1 Sensor 2 MVC Quadro 2 Quadro 4 Atuação dos Blocos no Exemplo Dado Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  18. 18. Agendamento dos Blocos de Função Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  19. 19. Bloco Funcional PID Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  20. 20. FOUNDATION Fieldbus H1 No sistema de comunicação FOUNDATION Fieldbus H1, suas funcionalidades são suportadas por serviços agrupados em níveis, assim como outras arquiteturas baseadas no modelo OSI/ISO. O objetivo era substituir os dispositivos 4-20 mA existentes, na tentativa de reduzir custos. Essa mudança seria mais fácil se o cabeamento existente que suportava apenas a versão H1 de baixa velocidade, fosse mantido; Sinais (± 10 mA com 50 Ω de carga) são codificados usando a técnica Manchester síncrona, e podem ser conduzidos em cabos de par trançado. O sinal é chamado serial síncrono porque a informação de clock está embutida na seqüência de dados serial; O receptor interpreta uma transição positiva no meio do período de bit como um 0 lógico e uma transição negativa como um bit 1 lógico. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  21. 21. Exemplo de Codificação Manchester Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  22. 22. Codificação no Foundation Fieldbus Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  23. 23. Estrutura do Datagrama FF Cada camada é responsável por uma quantidade de bytes enviados Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  24. 24. FOUNDATION Fieldbus H1 O transmissor entrega ± 10 mA à 31,25 kbps com uma impedância de 50 Ω para criar uma tensão de 1 V pico a pico modulada na tensão de alimentação DC, que pode ser de 9 a 32 volts. A fiação H1 é baseada em cabos-troncos com terminadores em cada ponta. Cada cabo é encerrado com um terminador de 100 Ω de impedância. Isto faz do cabo de instrumentação uma linha de transmissão balanceada em que um sinal de freqüência relativamente alta pode ser transmitido com um mínimo de distorção. Permite derivações localizadas em qualquer ponto ao longo do tronco e conectadas por meio de caixas de junção. Um único dispositivo pode ser conectado em cada derivação. Outros troncos podem ser encadeados através de repetidores. Até cinco troncos podem ser interconectados. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  25. 25. Sinalização no Foundation Fieldbus H1 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  26. 26. FOUNDATION Fieldbus H1 O comprimento de uma derivação varia de 1 a 120 m, dependendo do número de dispositivos conectados ao enlace fieldbus; O número máximo de dispositivos em um tronco H1 é 32, porém o número real depende de fatores como consumo de potência, tipo de cabo, repetidores, etc.; O comprimento total do tronco, incluindo as derivações pode ser até 1900m, e 240 é o número de endereços de rede disponíveis. A camada de aplicação H1 inclui duas subcamadas: ◦Subcamada de acesso ao barramento (FAS – fieldbus acess sublayer) que usa as características da camada de enlace para prover serviços à segunda subcamada; ◦Subcamada de especificação de mensagens (FMS – fieldbus message specification). Cada tipo de serviço FAS é descrito por uma relação de comunicação virtual, a VCR (virtual communication relationship). A VCR define o modelo de informações (mensagens) trocadas entre duas aplicações. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  27. 27. Modelos de VCR definidos pelo FF – Cliente Sevidor Usado para comunicação um para um, com fila e não- agendada, entre dois dispositivos no barramento; Quando um dispositivo recebe um PT (Pass Token) do LAS (link active scheduler – lista de tempos para mensagens contidas num buffer – memória temporária de mensagens a serem enviadas em uma rede de comunicação), deve enviar uma requisição a outro dispositivo na rede; O dispositivo que faz a requisição é chamado de cliente e o que recebe a requisição é chamado de servidor; O servidor responde à requisição assim que receber o PT do LAS; O VCR cliente-servidor é usado para requisições iniciadas pelo operador como mudança de set-point, acesso e modificação de parâmetros de sintonia, manipulação de alarmes, e upload e download de dispositivos; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  28. 28. Serviço LAS – Link Active Scheduler Mantém uma lista dos dispositivos ativos na rede (Live List); Sincroniza os relógios dos dispositivos através de uma mensagem específica. (Time Distribution); Envia a mensagem para envio programado dos dados (Compel Data); Envia a permissão de comunicação não programada aos dispositivos ativos (Pass token); Após cada ciclo, o LAS também: ◦Envia um comando PN (Probe Node) a um dispositivo com o objetivo de verificar a sua integridade; ◦O elemento deve enviar uma resposta PR (Probe Response); ◦Se o elemento não responder três perguntas consecutivas ele é retirado do Live List; A sincronização dos relógios é fundamental para o envio de dados em função do tempo; O LAS envia periodicamente um comando TD com o seu horário que deve ser usado por todos os elementos da rede. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  29. 29. Modelos de VCR definidos pelo FF • Distribuição de boletins/informes: usado para comunicação um para muitos, enfileirada e não-agendada. Quando um dispositivo, que possui um evento ou um boletim para enviar, recebe o PT do LAS, ele envia a mensagem a um grupo de endereços definido pela VCR. Normalmente utilizada para notificação de alarmes; • Editor-assinante (publisher-subscriber) – MODELO PROUTOR-CONSUMIDOR: usado para comunicação um para muitos com buffer. Quando um dispositivo recebe um CD (compel data) deve publicar, em broadcast, sua mensagem a todos os dispositivos no barramento. Os dispositivos que desejam receber a mensagem publicada são chamados de assinantes. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  30. 30. Modelo de Comunicação por Camadas Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  31. 31. Serviços da Subcamada FMS Os serviços da subcamada FMS permitem que aplicações de usuários troquem mensagens através do barramento; A FMS descreve os serviços de comunicação, formatos de mensagens e comportamento de protocolo, necessários à construção de mensagens da aplicação; Os dados são descritos por uma descrição de objeto, identificada pelo seu índice no dicionário de objetos; Um VFD (virtual field device) é usado para visualizar remotamente os dados de um dispositivo local, descritos no dicionário de objetos. Um típico dispositivo tem pelo menos dois VFDs: VFD de gerenciamento de rede e sistema, e VFD de aplicação de usuário. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  32. 32. Subcamada de Acesso Fieldbus - FAS FAS = Fielbaus Access Sublayer; Faz a comunicação (interoperabildade) , entre as camada de enlace de dados e de aplicação; Mapeamento de serviços de blocos em funcionalidades no chão de fábrica; FAS usa características escalonadas e não escalonadas (scheduled and unscheduled) da Camada de Enlace de Dados para fornecer serviços para Fieldbus Message Specification (FMS); ◦Descritos via Virtual Communication Relationships (VCR). Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  33. 33. Transferência e Dados Esclonados Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A mensagem no buffer e dados é enviada por broadcast a todos os dispositivos no barramento fieldbus quando o LAS emitir o comando Compel Data ao emissor (publicador ou produtor). Os dispositivos receptores (assinantes ou consumidores) recebem e escutam a mensagem.
  34. 34. Transferência e Dados não Esclonados Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A mensagem na fila é transmitida pelo barramento de campo fieldbus quando o LAS emitir a mensagem token de autorização de passsagem ao dispositivo x. A mensagem pode ser enviada a um único destinatário (unicast) ou a múltiplos destinatários (multicast).
  35. 35. Dispositivo Virtual de Campo (VFD - Virtual Field Device) Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 SERVIÇOS FMS: Initiate - Estabelece comunicações; Abort – Abanona comunicações; Reject – Rejeita serviço impróprio; Status – Lê status do dispositvo; Unsolicited Status – Envia status; Identify – Lê tipo e versão; PutOD – Carrega Objeto no disp.; Read – Lê uma variável; Write – Escreve uma variável; Information Report – Envia Dados; DefineVariableList – Define Lista Var; DeleteVariableList – Apaga Lista Var; EventNotification – Notifica evento; AckEventNotification – Recebe not.; Alter ConditionEventMonitoring – Altera condições e monitoramento Do evento;
  36. 36. Diagrama de Alocação de Recursos Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  37. 37. FOUNDATION Fieldbus HSE O FOUNDATION Fieldbus HSE define uma camada de aplicação e funções de gerenciamento associadas, projetada para operar sobre uma pilha TCP/UDP/IP padrão, sobre Ethernet de par trançado ou fibra ótica; Principalmente prevista para aplicações de manufatura discretas, pode ser usado para interconectar segmentos H1, assim como protocolos externos através de gateways TCP/IP com o objetivo de construir redes de planta completas. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  38. 38. Característica e Objetivo do HSE A Fieldbus Foundation inicialmente planejou adotar o padrão IEC/ISA de alta velocidade, mas recentemente decidiu usar o HSE (high-speed ethernet) devido principalmente à grande disponibilidade de componentes e à existência de redes nas plantas (pelo menos em nível de backbone – meio onde o tráfego de dados é intensamente mais rápido); A principal característica do FOUNDATION Fieldbus – HSE é o uso da arquitetura de Internet (TCP/UDP/IP e IEEE 802.3u) para o controle discreto em alta velocidade e, de forma mais geral, para interconectar diversos segmentos H1 com o objetivo de alcançar uma rede fieldbus em toda a planta. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  39. 39. Comunicação do HSE O HSE opera à 100 Mbps e pode ser equipado por linhas elétricas (par trançado) ou cabos de fibra ótica; A Ethernet utiliza o protocolo CSMA (Carrier Sense Multiple Access) de acesso ao meio; Quando uma estação deseja transmitir, ela primeiro escuta o canal de comunicação para verificar se outra estação está transmitindo naquele momento. A transmissão só é efetuada se o canal estiver ocioso; Se a carga do barramento tiver de ser reduzida devido à quantidade de dispositivos conectados, ou se várias subredes HSE serão combinadas para criar uma grande rede, switches Ethernet devem ser usados; Um switch lê o endereço de destino do pacote de dados a ser repassado e então direciona o pacote à subrede correspondente. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  40. 40. Integração entre redes HSE e H1 [Hightech Multimidia] Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  41. 41. Dispositivos de Ligação (Linking Devices) Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 4-20 mA Discrete I/O
  42. 42. Arquitetura Distribuida entre HSE e H1 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 FIELDBUS H1 FIELDBUS H1 Dispositivos em Redes Distintas HSE Dispositivo de Ligação (Linking Device) Organiza a Comunicação Passando o token
  43. 43. Dispositivo de Ligação DFI302 da SMAR Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Cada Módulo DFI302 PROCESSOR se encarrega de: • 256 Pontos convencionais (512 pontos com coprocessador E/S) • 4 FF H1 Networks (Até 64 Dispositivos de Campo Foundation Fieldbus) • 4 LAS (Link Active Scheduler) – Escalonador de Barramento determinísitico centralizado • 1 FF HSE Port • 1 Modbus Gateway Network (Barramento As-i, DeviceNet, Profibus) • 100 Blocos de função Fieldbus Foundation (Function Blocks)
  44. 44. Características do DFI302 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 •Fonte de alimentação 24VDC; •Opera de 90 a 220VAC; •Saída a 18±2V, 300 mA; •Impedância ativa; •Permite redundância de LAS, interfaces e processamento; •Alimenta até 64 Dispositivos (16 x 4ch também em área classificada). •Possui circuito de saída e luz LED de falha. •Possui proteção contra curto-circuito •Montagem em trilho DIN ou painel; •Estende a rede até 9500m com até 4 repetidores por rede; PS Hazardous Area PS PS PS PS PS DF47 Fieldbus Safety Barrier DF48 Fieldbus Repeater
  45. 45. Camada Física no Foundation Fieldbus Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  46. 46. PROJETO DE INSTALAÇÃO DE EQUIPAMENTOS EM UMA REDE FIELDBUS Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Devem ser consideradas as distâncias máximas permitidas entre os equipamentos de forma a otimizar ao máximo o comprimento do barramento (trunk) e das derivações (spurs).
  47. 47. Topologias Fieldbus Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  48. 48. Topologias Fieldbus Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  49. 49. FF com Topologia Física em Estrela Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  50. 50. Interligação de Blocos através de um configurador Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  51. 51. Exemplo FF 1 – Controle de vazão Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Instrumentos FIELDBUS : •Um transmissor de pressão diferencial (FT-123) que irá ler a vazão da tubulação; •Um conversor de sinal fieldbus para corrente, cujo sinal de saída (4 a 20mA) irá alimentar um atuador de campo (a válvula FCV-123) que fará o controle da vazão; •Uma interface para a configuração que pode ser uma placa de rede FF para instalação em um PC ou uma placa de interface para um CLP, também chamado de “bridge” ou ainda um “linking device”. •O controlador PID não existe fisicamente. Sua função está embutida em um bloco de função PID no conversor FF/corrente.
  52. 52. Estratégia de Controle do Exemplo 1 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  53. 53. Interligação entre as Funções dos Blocos Na estratégia de controle do slide anterior são visualizados os blocos utilizados e suas interligações; Esta estratégia é montada no software de configuração e enviada para os dispositivos através de um procedimento chamado de “download”. Em cada instrumento físico são obrigatórios o uso dos blocos de RESOURCE (RES) e TRANSDUTOR (TRD); O uso dos blocos DISPLAY (DSP) é vinculado a existência de display local em cada instrumento. Os blocos de função necessários são a entrada analógica (AI) do FT - 123 que irá disponibilizar a vazão medida para o bloco PID do FCV-123 e um bloco de saída analógica (AO) que irá enviar o valor de abertura da válvula de controle. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  54. 54. Parametrização dos Blocos do Exemplo 1 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  55. 55. Operacionalização via Software 1. O Trabalho de configuração dos instrumentos Fieldbus, consiste dentre outras coisas, na parametrização dos blocos funcionais que serão utilizados pelos instrumentos; 2. Na figura a esquerda podemos ver o como o software de configuração mostra os blocos de cada instrumento existentes na rede; 3. Na figura a direita, entramos dentro do bloco AI. Em geral, todo bloco funcional possui uma entrada para algum tipo de variável (seja de um elemento sensor ou simplesmente uma variável de saída de outro bloco); 4. Na figura é destacado dois parâmetros que podem causar alguma confusão. Trata-se dos parâmetros de escalonamento da variável de entrada (XD_SCALE) e de saída (OUT_SCALE) presente no bloco; 5. Estes parâmetros fazem a conversão de valores de entrada ou saída para valores em unidades de engenharia; 6. No caso, o bloco AI tem como entrada um sinal de pressão diferencial de 0 a 200 polegadas de água. Este sinal sofre uma operação de raiz quadrada (L_TYPE) sendo disponibilizado na saída como um sinal de vazão entre 0 a 150 m /h. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  56. 56. Exemplo FF 2 – Controle de Temperatura Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  57. 57. EX.1 - Controle PID em Cascata 1. O controle em cascata é uma técnica avançada de controle onde são empregados dois controladores onde o secundário ou escravo recebe seu setpoint do primário ou mestre; 2. Esta técnica é usada para melhorar a rejeição a distúrbios e o desempenho do sistema reduzindo as constantes de tempo de malha Fechada; 3. A figura ilustra o caso de controle de temperatura dentro de um vaso que contém uma substância aquecida com vapor; 4. A vazão de vapor é controlada por uma válvula de controle modulando a sua abertura a partir do sinal do controlador secundário; 5. São ilustrados controladores PID, mas a prática recomenda que o controlador secundário seja apenas proporcional, já que erros de offset não são importantes nesta etapa; 6. Já o controlador primário deve ser proporcional-integral para eliminar os erros de off-set na variável final de controle, a temperatura. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  58. 58. Estratégia de Controle do Exemplo 2 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  59. 59. Ex.2 - Controle PID em Cascata 1. O FF foi criado para permitir que mesmo controles em cascata em dois ou três níveis fossem implementados totalmente dentro dos instrumentos de campo; 2. No exemplo são usados três instrumentos, um transmissor de temperatura (TT100), um transmissor de vazão (FT101) e uma válvula de controle (FCV101) em um mesmo segmento de rede FF H1; 3. Na estratégia de controle, o controlador PID de temperatura é configurado usando um bloco de função do instrumento de medição de temperatura tendo a sua saída cascateada com o setpoint do controlador de vazão, implementado, por sua vez no instrumento de medição de vazão; 4. São usados os blocos de função AI dos instrumentos de processo para disponibilização das variáveis medidas e um bloco de função AO para estabelecer o valor de abertura da válvula de controle; 5. O barramento FF H1, usando os seus serviços de comunicação será o responsável por transferir os dados entre os blocos de função localizados em instrumentos diferentes; 6. O setpoint será definido na estação de supervisão ou IHM, onde também usará os serviços de comunicação do FF para a disponibilização de alarmes e tendências, e ainda eventuais reconfigurações. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  60. 60. Estratégia de Controle do Exemplo 3 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  61. 61. Sistema de Teste de Campo O sistema de recuperação recebe o vapor conensado retornando de outras partes da planta industrial e devolve este conensado ao sistema de tratamento e água; O processo consiste e dois tanques: um tanque de expansão, com aprox. 85 galões (320 litros) e um tanque de condensado de aprox. 20 galões (75 litros). O primeiro vai montado diretamente sobre o segundo; O condensado retorna e flui para o tanque de expensão, onde a queda de pressão pode causar a expansão do conensado em vapor. Este conensado líquido desce para o tanque de condensado de onde é bombeado aiante para o sistema de admissão para aquecimento no boiler. A instrumentação instalada no sistema FF inclui: ◦Mediores de nível em cada tanque e através de ambos; ◦Medidor de pressão no tanque de expansão; ◦Medidor de vazão no sistema de admissão para aquecimento no boiler; ◦Vazão total por bombeamento; ◦Vazão de reciclagem; As válvulas de controle foram equipadas com posicionadores digitais, usados para controlar o sistema de aquecimento (“boiler”) e o fluxo por reciclagem; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  62. 62. Instrumentação e Teste Os instrumentos foram conectados a um dos dois barramentos ligados ao DCS localizado na sala de controle; A instalação utilizou uma combinação de cabos par trançado existentes, além de fiação nova; Mesmo não requeridas pelo processo, barreiras de segurança intrínsicas foram demonstradas no sistema; O desempenho do barramento foi monitorado por analizadores de tráfego. A fiação foi configurada ao conectar um os dois painéis terminais numa caixa de junção ao lado do equipamento de processo. Dois pares, sendo um e cada painel terminal foram usaos para conectar os barramentos à sala de controle; O nível de condensado do sistema é controlado por meio de seleção de um setpoint de preferência no PID de controle de nível, LIC-101, localizado ao lado do transmissor de nível; O PID é usado como um loop primário cascateado para o PID de controle de vazão, FIC-103, localizado na vávula do sistema de admissão; A circulação do condensado do tanque de condensado ao tanque de expansão é controlada por um loop PID adicional, FIC-202, localizado na válvula; A estratégia de controle deste loop de cascateamento é totalmente implementada nos transmissores e vávulas de vazão, como mostra o diagrama do slide anterior. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  63. 63. Implementação do Cascateamento do Controlador de Vazão e Válvula Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  64. 64. Tela de Resumo de Utilização de Ativos da Emerson Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  65. 65. XVII – PROTOCOLO OPC Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  66. 66. Protocolo OLE for Process Control (OPC) É um protocolo específico que utiliza interface para a permissão de comunicação de diferentes drivers com supervisórios, que também podem ser diferentes. Para entender melhor a aplicação do protocolo OPC, vamos definir o que é driver: Um driver faz a ligação entre as aplicações e os dispositivos (hardware); O driver lê dados do hardware usando as funções e comandos e fiações necessárias, e então, os disponibiliza para sua aplicação usando métodos, formatos, e um idioma que sua aplicação pode entender. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  67. 67. Drivers de Sistemas Supervisórios Sem a aplicação de um protocolo OPC, normalmente um driver comunica-se com um determinado supervisório, ou seja, cada supervisório utiliza um determinado tipo de driver para comunicação, conforme a seguir: ◦dispositivo Ethernet - pode executar blocos de função e pode ter I/Os convencionais; ◦dispositivo host - é um dispositivo não-HSE capaz de comunicação com dispositivos HSE. Exemplos incluem terminais de configuração, estações de operadores e servidores OPC; ◦dispositivo gateway - faz a interface com outros protocolos de rede como Modbus, DeviceNet ou PROFIBUS; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  68. 68. Incomunicabilidade Entre Drivers e Sistemas Supervisórios antes do OPC Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  69. 69. As API dos Fabricantes Cada fabricante define a sua interface para desenvolvimento API ou (Application Programming Interface) proprietária; Isto garante a interoperabilidade entre o driver e o supervisório; Entretanto, não existe interoperabilidade entre os drivers e os supervisórios de fabricantes diferentes por causa das APIs proprietárias. Por isso, cada fabricante utiliza a mesma interface comum, o OPC, que faz a tradução entre as linguagens usadas nas mensagens dos protocolos, como Modbus ou Profibus; Os usuários podem misturar os drivers de um fabricante com supervisórios de outro fabricante, porque todos usam uma interface comum, o OPC; A interface OPC atualiza as informações no processamento das palavras e tecnologias como Component Object Model (COM) e Object Linking and Embedding (OLE). Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  70. 70. Comunicabilidade Entre Drivers e Sistemas Supervisórios depois do OPC Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  71. 71. Uso de OPC – Vantagens Padronização das interfaces de comunicação entre os servidores e clientes de dados de tempo real, facilitando a integração e manutenção dos sistemas; Eliminação da necessidade de drivers de comunicação específicos (proprietários); Melhoria do desempenho e otimização da comunicação entre dispositivos de automação; Interoperabilidade entre sistemas de gestão empresarial (Enterprise Resource Planning - ERP), de execução de manufatura (Manufacturing Execution System-MES) e aplicações Windows (Excel, etc.); Redução dos custos e tempo para desenvolvimento de interfaces e drivers de comunicação, com conseqüente redução do custo de integração de sistemas; Facilidade de desenvolvimento e manutenção de sistemas e produtos para comunicação em tempo real; Facilidade de treinamento. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  72. 72. Características do OPC Apresenta arquitetura cliente/servidor; Baseados nos Modelos COM/DCOM da Microsoft (COM – Component Object Model - local) e (DCOM – Distributed Component Object Model - remoto) Clientes e Servidores OPC são programas separados, de modo que, o servidor OPC responde aos comandos do cliente OPC. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  73. 73. OPC para Cliente e Servidor Cliente OPC Um cliente OPC pode ser um aplicativo autônomo, fazendo parte de um sistema ou um módulo de um aplicativo. Pode trocar dados com um ou mais servidores OPC. Servidor OPC Um servidor OPC pode ser um aplicativo autônomo ou pode ser um módulo de um aplicativo, incluindo um ou mais driver(s) de comunicação. Pode trocar dados com um ou mais clientes OPC, estar no mesmo computador ou pode estar em computador em rede com o cliente OPC. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  74. 74. Interfaceamento OPC Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  75. 75. Usos das OPCs ns Empresas Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Principais usos operacionais Principais funcionalidades utilizadas
  76. 76. Camadas de Utlização do OPC Sobre quais redes opera o OPC Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  77. 77. OPC Localizado Somente na Camada de Controle e Supervisão da Rede Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Amarelo: tráfego sem controle OPC Vermelho: tráfego com controle OPC
  78. 78. OPC Localizado no Controle, Supervisão e DMZ (Zona Desmilitarizada da Rede) Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Amarelo: tráfego sem controle OPC Vermelho: tráfego com controle OPC
  79. 79. OPC Remoto Entre Plantas Físicas Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  80. 80. XVIII – PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ROCKWELL Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  81. 81. Família de Protocolos da Allen Bradley Os protocolos da Rockwell pertencem a família Allen Bradley com os seguintes principais protocolos abertos: ◦Ethernet/IP ◦ControlNet ◦DeviceNet Tem por objetivo controlar, configurar e coletar dados de informações dentro das redes industriais utilizando as seguintes características: ◦Uso do CIP – Control and Information Protocol ◦Arquitetura Produtor/Consumidor Quanto aos protocolos proprietários encontramos: ◦RIO : Universal Remote I/O ◦DH-485 : Data HighWay 485 ◦DH+ : Data HighWay Plus Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  82. 82. Allen Bradley A Allen Bradley, é uma empresa do grupo Rockwell Automation, oferece uma arquitetura integrada de rede viabilizando um eficiente fluxo de informações e dados em todos os níveis da automação industrial. São disponibilizados protocolos abertos para os níveis de dispositivos, controle e informação com possibilidade de combinações sem sacrifício de desempenho. Protocolo aberto significa que as especificações e tecnologia não são gerenciadas ou controladas pela Rockwell Automation. Estas soluções são um avanço dos antigos protocolos de comunicação proprietários da Rockwell. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  83. 83. Possibilidades da Arquitetura Integrada • Controlar: Estipulando transferência de dados em vários métodos com selecionáveis taxas de atualização de E/S, entradas compartilhadas, mensagens multicast e ponto a ponto e intertravamentos entre controladores. • Configurar: Viabilizando a configuração de todos os dispositivos da rede de qualquer localização. • Coletar: Estipulando uma solução para visualização de dados em IHMs, com gráficos de tendências e análises de dados para manutenção e solução de problemas. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  84. 84. Soluções Rockwell em Três Níveis No nível inferior, o chão de fábrica, o protocolo DeviceNet possibilita a interligação de dispositivos com informações discretas enquanto que a instrumentação de processo faz uso do Foundation Fieldbus. No nível intermediário, os CLPs, IHMs e PCs fazem uso do protocolo ControlNet, onde antes a Rockwell tinha como solução os protocolos Data Highway Plus e Data Highway 485. No nível superior ou de informação é proposta a utilização do protocolo Ethernet/IP. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  85. 85. Diagrama em Três Níveis Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  86. 86. DeviceNet – Características É um protocolo específico para interligação de sensores e atuadores ON/OFF, chaves de partida eletrônicas, controladores lógicos programáveis e interfaces homem máquinas; Apresenta padrão aberto de comunicação ; Mantido pela associação ODVA (Open DeviceNet Vendor Association); Baseado no protocolo CAN; Quanto ao meio físico, este protocolo utililiza o padrão das camadas OSI, mais precisamente a camada de aplicação; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  87. 87. Origem do DeviceNet A rede DeviceNet, lançada em 1994, é derivada da rede CAN, adaptada para operar ao nível de equipamentos desde os mais simples como sensores on/off e módulos I/O até os mais complexos, como interfaces homem máquinas e inversores de freqüência para controle de velocidade de motores. A rede DeviceNet possui um expressivo número de fabricantes ofertando equipamentos, regulamentados via a associação OVDA (Open DeviceNet Vendor Association –www.odva.org), organização independente que tem o objetivo de divulgar, padronizar e difundir a tecnologia visando seu crescimento global. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  88. 88. DeviceNet – Meio Físico Coube à especificação do DeviceNet definir o meio físico, os conectores e a camada de aplicação. Tem todos os ingredientes para o sucesso: chips disponíveis (variações do CANbus), um forte patrocinador com um mercado consolidado, software de gerenciamento da rede e uma poderosa associação para promover o produto. Ainda, podemos citar que o protocolo DeviceNet apresenta as seguintes especificações: ◦Meio físico robusto (Barramentos com muitos nós); ◦Alto poder de diagnóstico; ◦Rede determinística; ◦Não troca informações entre CPU’s. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  89. 89. DeviceNet – Meio físico Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  90. 90. Cablagem DeviceNet A rede DeviceNet utiliza dois pares de fios, um deles para a comunicação e o outro para alimentação em corrente contínua dos equipamentos conectados a rede. Existe ainda uma blindagem externa dos pares, via fita de alumínio e a blindagem geral do cabo via malha trançada com fio de dreno; Os sinais de comunicação utilizam a técnica de tensão diferencial para os níveis lógicos, visando diminuir a interferência eletromagnética, que será igual nos dois fios e aliada a blindagem dos cabos, tende a conservar a integridade da informação. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  91. 91. Descritivo de meio físico DeviceNet As cores dos fios são padronizadas, com o par de alimentação em vermelho (V+) e preto (V-) e o par de comunicação com branco para o sinal chamado de CAN High e azul para o CAN Low; Existem hoje 3 cabos disponíveis, o cabo tronco também conhecido por cabo grosso, que tem diâmetro externo de 12,5 mm, outro chamado de cabo fino com diâmetro externo de 7 mm e um terceiro chamado flat que possui um perfil chato para ser utilizado por conectores especiais com a tecnologia de perfuração visando reduzir o tempo de montagem. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  92. 92. DeviceNet – Modelo OSI Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A figura mostra a relação entre o protocolo DeviceNet e o modelo OSI. As camadas inferiores são baseadas no CAN, enquanto que as superiores fazem uso do protocolo CIP.
  93. 93. DeviceNet – Topologia Esse protocolo apresenta topologia física em barramento com linhas tronco e derivações; Chega até 64 elementos de conexões ativos, endereçados de 0 a 63; Porém é sugerido a utilização de no máximo 62 equipamentos, deixando os endereços 62 e 63 livres, sendo: o endereço 62 reservado para a interface de comunicação com o micro de configuração da rede; e o endereço 63 para conexão de novos instrumentos, visto que este é o endereço default que os equipamentos saem de fábrica; Apresenta taxas de transmissão de 125 a 500 kbps com resistores terminadores de 121 ohms. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  94. 94. Taxas de Transmissão de Dados Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A rede DeviceNet admite somente a topologia com um cabo tronco (principal) e derivações executadas obrigatoriamente do cabo principal. A tabela ilustra as restrições quanto ao comprimento dos cabos em função da taxa de transmissão adotada para a troca dos dados na rede.
  95. 95. Taps – Derivações do Barramento Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  96. 96. Características do Nível Físico • Topologia física básica do tipo linha principal com derivações; • Barramentos separados de par trançado para a distribuição de sinal e de alimentação (24VCC), ambos no mesmo cabo; • Inserção e remoção de nodos a quente, sem necessidade de desconectar a alimentação da rede; • Uso de opto acopladores para permitir que dispositivos alimentados externamente possam compartilhar o cabo do barramento com os dispositivos alimentados pelo barramento; • Usa terminadores de 121 ohms em cada fim de linha; • Permite conexão de múltiplas fontes de alimentação; • As conexões podem ser abertas ou seladas. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  97. 97. Caixa de conexão aberta e conexão selada Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A partir de cada dropline vários dispositivos podem ser ligados em daisy chain
  98. 98. Topologia da rede DeviceNet Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  99. 99. Cálculo da Derivação Cumulativa Examine o desenho acima e complete: O comprimento da derivação cumulativa é: (4+1+1+4) + 2 + (3+2+3+3) + 3 + 5 + 4 = 35m. Existe algum nó a mais de 6 metros da linha tronco ? _________________; Que taxas de comunicação podem ser usadas nesta rede ? ________________. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  100. 100. Cálculo da Distância Máxima dos Cabos Derivação 1: Não é considerada porque seu comprimento é menor que a distância da linha tronco para o resistor de terminação (1.5 m). Derivação 2: É considerada, já que 5 > 1,5 + 1,5. Derivação 3: Não é considerada. Distância máxima dos cabos = (5 m + 50 m + 12 m) = 67 metros. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  101. 101. Cálculo de Queda de Tensão numa Rede DeviceNet Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  102. 102. Posicionamento da fonte de alimentação Para determinar se a fonte de alimentação está sobrecarregada ou não: 1) Somatório das correntes dos dispositivos da Seção 1: (1,10 + 1,25 + 0,50) = 2,85 2) Somatório das correntes dos dispositivos da Seção 2: (0,25 + 0,25 + 0,25) = 0,75 3) O comprimento da seção 1 é de 86 metros. Consultando a tabela para 100 metros verificamos que a corrente máxima permitida é de 2,93 A. O comprimento da seção 2 é de 158 metros. Consultando a tabela para 160 metros encontramos 1,89 A. Logo, toda a rede está operacional. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  103. 103. Tela do DeviceNetAssistant Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  104. 104. Controle de Acesso ao Meio – Camada DLL Utiliza protocolo CSMA/NBA – Carrier Sense Multiple Access with Non Destructive Bitwise Arbitration ou CSMA/CD + AMP (Arbitration on Message Priority) Através deste protocolo qualquer nó pode acessar o barramento quando este se encontra livre. Caso haja contenção, ocorrerá arbitragem bit a bit baseada na prioridade da mensagem que é função do identificador de pacote de 11 bits. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  105. 105. Grupos de mensagens DeviceNet Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 DeviceNet divide os 11 bits do identificador CAN em quatro grupos. Os três primeiros grupos contém dois campos, um campo de 6 bits para o MAC ID (6 bits <-> 64 endereços) e o restante para o MESSAGE ID. Os dois campos combinados formam o CONECTION ID.
  106. 106. O Modelo de Objetos O modelo de objetos fornece um gabarito e implementa os atributos (dados), serviços (métodos ou procedimentos) e comportamentos dos componentes de um produto DeviceNet. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 •O modelo prevê um endereçamento de cada atributo; nodo (MAC ID), ID da classe de objeto, instância, e atributo; •Estes 4 componentes de endereço são usados com uma mensagem explícita para mover dados de um lugar para outro numa rede DeviceNet. •Ao lado exemplos de IDs das classes de objetos
  107. 107. Objetos de Aplicação Todo dispositivo usualmente possui pelo menos um objeto de aplicação. Existem vários objetos de aplicação padrões na biblioteca de objetos DeviceNet. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  108. 108. Folha de dados Eletrônica ou Electronic Data Sheet (EDS) EDS são arquivos de especificação associados a um dispositivo. Seu objetivo é definir o conjunto de funcionalidades presentes em um dispositivo e permitir uma rápida configuração dos sistemas computacionais de nível mais alto para tornar visíveis informações de produtos de múltiplos fornecedores Estes arquivos têm formato ASCII e incluem a descrição de atributos essenciais do instrumento como: nome, faixas de operação, unidades de engenharia, tipos de dados, etc. Alguns destes atributos constituem requisitos mínimos para aquela classe de instrumento. Outros são atributos específicos de um fornecedor. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  109. 109. Perfis de dispositivos A especificação DeviceNet define, além da conexão física e protocolos, modelos padrões para tipos de dispositivos. O objetivo final é promover a intercambialidade e interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes; Os perfis de dispositivos definem os requisitos mínimos que cada dispositivo: push button, fotocélulas, atuadores de válvulas pneumáticas, etc. devem possuir para serem considerados compatíveis. Um perfil de dispositivo deve conter as seguintes seções: ◦Definição do modelo de objeto do dispositivo: Lista todas as classes de objeto presentes no equipamento, o número de instâncias em cada classe, como cada objeto afeta o comportamento das interfaces públicas para cada objeto. ◦Definição do formato de dados de I/O do produto: Geralmente inclui a definição de um objeto da classe Assembly que contém o endereço (classe, instância e atributo) dos componentes de dados desejados. ◦Definição dos parâmetros configuráveis do objeto e das interfaces públicas para este parâmetros. Estas informações são incluídas no EDS. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  110. 110. Conexão do Host à Rede DeviceNet A conexão do host à rede DeviceNet pode se dar através de uma linha serial RS_232, utilizando o adaptador de comunicação 1770- KFD. A conexão pode ser feita em qualquer ponto da rede da DeviceNet Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  111. 111. Mensagens Padrão - Exemplo: Define Baud Rate Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  112. 112. Formato do pacote de dados A comunicação se dá através do protocolo DF1 orientado a caracter, muito semelhante aos protocolos estudados no Modbus ASCII. O protocolo DF1 combina as características de protocolos da subcategoria D1 (transparência de dados) e F1 (transmissão full-duplex com respostas embedded) da norma ANSI x3.28. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Um segundo envelope representado pelo protocolo PCCC é acrescentado. Dos 5 bytes deste envelope, apenas dois são utilizados: o comando 0x0C que significa mensagem DeviceNet e o contador de pacotes que deve ser incrementado a cada mensagem.
  113. 113. DeviceNet – Aquisição de dados Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  114. 114. Conceito Proutor- Consumidor O conceito de produtor - consumidor foi adotado pela rede DeviceNet, sendo que um elemento “produz” a informação no barramento e os elementos que necessitam desta informação a “consomem”, diferentemente da maioria dos protocolos em que a comunicação é única e exclusivamente entre dois elementos; O conceito produtor - consumidor visa eliminar troca de informações desnecessárias, e utiliza métodos de comunicação apropriados. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  115. 115. Métodos de Comunicação Apropriados Mensagem Dirigida (Polled Message): Neste método o mestre, no caso o cartão scanner da rede montado no controlador, gera uma mensagem de comando direcionada a um determinado escravo (ponto-a-ponto) e a resposta do escravo é direcionada ao mestre, portanto podemos perceber que para cada escravo o mestre gera uma requisição individual e recebe um pacote de informações do respectivo escravo. Mensagem por Sondagem (Strobed Message): Neste método o mestre gera uma requisição tipo multicast no barramento da rede e todos os escravos com comunicação “strobed” respondem um após o outro, portanto temos uma requisição geral do mestre e respostas individuais de cada escravo “strobed” (sondado); Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  116. 116. Métodos de Comunicação Apropriados Mensagem Cíclica (Cyclic Message): Neste método o escravo atualiza seus dados no mestre da rede em intervalos de tempo pré-definidos, e este método tem grande utilização em aplicações onde a variação de determinado ponto não necessita de atualização instantânea; Mudança de Estado (Change Of State): Neste caso o escravo irá enviar seus dados ao mestre somente quando houver mudança de estado de suas entradas, e quando o escravo é configurado para trabalhar com método COS ele tem um recurso de comunicação cíclica para indicar ao mestre que ele está na rede e funcionando corretamente, sendo este recurso conhecido como heartbreaker. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  117. 117. XIX – PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ROCKWELL Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  118. 118. Rede Distribuída de E/S para acesso Remoto Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  119. 119. ControlNet – Características Em relação ao protocolo ControlNet, podemos citar as seguintes características: ◦Apresenta rede única para módulos de E/S, comunicação e programação (upload/download) de CLPs. ◦Modelo produtor/consumidor. ◦É uma rede com repetibilidade e determinismo. ◦Apresenta taxa de transmissão de dados de 5Mbps. ◦Capacidade para 99 nós. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  120. 120. O Desenvolvimento do ControlNet Rede de controle em substituição dos protocolos Data Highway; Permitiu uma previsão confiável de quando os dados serão entregues; Assegura que os tempos de transmissão sejam constantes e não imunes à conexão e desconexão de dispositivos na rede; Aprimora a comunicação do nível intermediário, ou de controle, com transferência de dados em tempo real; Provê transportes de dados críticos de E/S e mensagens, incluindo o upload e download de programação e configuração de dispositivos. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  121. 121. Características do ControlNet Usufruindo totalmente do modelo produtor consumidor, ControlNet permite que múltiplos controladores acessem e controlem entradas e saídas em uma mesma rede; Isto é uma vantagem significativa sobre outras redes, onde somente um mestre detém o controle do barramento. ControlNet permite tanto o multicast de dados quanto a comunicação ponto a ponto, reduzindo o tráfego no barramento e aumentando o desempenho do sistema. Conforme informação acima, o ControlNet apresenta determinismo e repetibilidade, necessidades críticas para assegurar um desempenho em tempo-real; Determinismo é a habilidade de prever com confiabilidade quando os dados serão entregues; Repetibilidade assegura que os tempos de transmissão são constantes e imunes à conexão e desconexão de dispositivos na rede. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  122. 122. Especificações do Protocolo ControlNet Faz troca de informações entre CPU’s Modelo de rede Produtor/ Consumidor Faz controle de I/O’ s Rede determinística CTDMA (Acesso Múltiplo Concorrente no Domínio do Tempo) Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  123. 123. Adaptação do CIP para EtherNet/IP Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  124. 124. ControlNet – Modelo OSI Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A figura mostra a relação entre o protocolo ControlNet e o modelo OSI. As camadas inferiores são especificadas pelo protocolo ControlNet, enquanto que as superiores também fazem uso do protocolo CIP, assim como a DeviceNet.
  125. 125. ControlNet – Meio físico Concebida com uma robusta rede de comunicação para aplicações industriais. Apresenta meios físicos utilizando cabo coaxial RG 6/U 75W com conector BNC ou fibra ótica. É recomendado o cabo coaxial tipo RG-6 com quatro malhas de proteção bastante usado nas instalações de televisão a cabo. A redundância de cabeamento é opcional, devendo ser usada quando a disponibilidade do sistema seja essencial ao permitir que a rede continue funcionando na presença de uma eventual falha em um cabo. A alimentação elétrica dos dispositivos deve ser feito por cabeamento em separado. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  126. 126. ControlNet – Topologia Esse protocolo apresenta topologia física em barramento, estrela, árvore ou qualquer mistura com distâncias de 1km sem repetidores. Para distâncias de 5km, necessita a utilização de repetidores. A topologia física é o barramento com derivações (taps) permitidas em qualquer posição. Com repetidores é possível montar topologias em árvore e estrela conforme mostra a figura acima. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  127. 127. ControlNet – Distâncias A distância de 1,000m com cabo coaxial só pode ser alcançada em uma rede com dois nós; Com 32 nós é possível chegar a 500m; Com 48 nós é possível chegar a 250m; Com o uso de repetidores e fibra ótica é possível chegar a 30km de rede; A quantidade de repetidores é limitada pelo atraso de propagação dos sinais; A quantidade de nós é limitado em 99, ou 48 em um mesmo segmento sem repetidores. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  128. 128. ControlNet – Camada de Enlace Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A figura anterior demostra o CIP solicitando serviços dos protocolos da camada de transporte do TCP/IP, sendo o UDP para controle de E/S em tempo real e o TCP para mensagens explicitas usadas em configuração dos dispositivos.
  129. 129. Acesso por Divisão de Tempo O acesso a rede é controlado por uma algoritmo de divisão de tempo chamado Acesso Múltiplo Concorrente no Domínio do Tempo ou CTDMA; Este determina a oportunidade de um determinado nó transmitir em cada intervalo de acesso a rede; A largura do intervalo de acesso à rede é selecionado pelo usuário através da seleção de um parâmetro chamado NUT (Network Update Time); Este parâmetro NUT tem valor mínimo de 2ms podendo chegar a 50ms; Informações críticas são enviadas durante a parcela de tempo destinada ao serviço agendado de uma forma determinística e com repetibilidade; Informações que podem ser enviadas sem restrições de tempo, como dados de configuração, são enviadas durante os intervalos de tempo destinado aos serviços não-agendados; O intervalo de tempo destinado aos serviços de manutenção é chamado de “guardband” e aloca um intervalo de tempo para necessidades eventuais de uso da rede. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  130. 130. XX – PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ROCKWELL Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  131. 131. EtherNet – Objetivos Criado a partir de esforços para encapsular os protocolos DeviceNet e ControlNet em uma rede com protocolo Ethernet/TCP-IP. Mantida pela associação ODVA tem por objetivos de fornecer um serviço de comunicação de dados industriais usando o hardware e cabeamento ethernet usufruindo da sua velocidade e baixo custo. EtherNet/IP, onde IP significa Industrial Protocol, foi criada pelos esforços combinados da ODVA, ControlNet International e Rockwell Automation; Os esforços anteriores da Rockwell para encapsular o protocolo ControlNet no protocolo ethernet/TCP-IP foram a base para o seu desenvolvimento; Este protocolo foi projetado para implementar a transferência de dados eficientemente com o protocolo CIP na camada de aplicação usando a estrutura largamente utilizada dos protocolos Ethernet e TCP/IP; Pela sua larga utilização e disponibilidade de fornecedores, o custo do hardware da Ethernet se torna mais acessível que o da ControlNet. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  132. 132. EtherNet/IP Oferece Várias Vantagens Únicas para Aplicações em Automação de Manufaturas Serviços completos Produtor-Consumidor permitem simultaneamente controlar, configurar e coletar dados e dispositivos inteligentes diretamente sobre uma rede única, ou usar esta como um backbone para múltiplas redes distribuídas CIP; Uso da banda de comunicação mais eficiente, com suporte a múltiplas hierarquias de comunicação e priorização de mensagens; Sua infraestrutura ativa acomoda inúmeros nós para enlaces ponto-a-ponto com flexibilização das rotas e futuras expansões; Trabalha tanto com mensagens implícitas de E/S com tempos críticos quanto explícitas cujos campos de dados contém informações do protocolo e instruções de desempenho e serviço; Compatível com outros protocolos internet padrão — e.g., HTTP, FTP, SNMP, e DHCP — e também com protocolos industriais padrão para acesso e trocas de dados, tal como OPC; Compatível com o padrão IEEE Ethernet provê aos usuários ampla escolha de velocidades: 10, 100 Mbps and 1 Gbps; Arquitetura compatível com as opções de instalação usando cobre, fibra óptica e wireless; Opções para dispositivos industriais que incorporam IP67 com conectores RJ45 ou M12 com LEDs indicadores de status e nomenclaturas. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  133. 133. Anatomia de um Quadro de Mensagem Ethernet Industrial RE = Preâmbulo SFD = Delimitador e Início de Quadro (Start-of-Frame delimiter); DA = Endereço de Destino (Destination Address) MAC com 6 Bytes; AS = Endereço de Remetente (Source Address) MAC com 6 Bytes; Até 1.500 Bytes de dados, dependendo da aplicação; A combinação Tempo real + Inteligência Embutida nos Dispositivos cada vez menores e mais baratos faz da Ethernet uma opção muito atraente. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  134. 134. O CIP na Ethernet Industrial Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  135. 135. EtherNet – Modelo OSI Os protocolos DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP tem em comum o uso do protocolo CIP (Communications and Information Protocol) na camada de aplicação; No CIP, cada dispositivo de rede representa ele mesmo como uma série de objetos. Cada objeto é simplesmente um agrupamento de valores de dados relacionados em um dispositivo; Por exemplo, cada dispositivo CIP tem a necessidade de colocar um objeto “Identidade” disponível na rede. O objeto identidade contém dados relativos a sua identificação chamado de atributos; Os atributos para este objeto são a identificação do fabricante, data de fabricação, número de série e outros dados de identificação; O CIP especifica quais valores ou atributos devem estar presentes e quais devem ser disponibilizados aos demais dispositivos; O objeto identidade é um exemplo de um objeto essencial, mas há três tipos de objetos: Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  136. 136. Comunicação Inter-Camadas Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  137. 137. Tipos de Objetos Objetos Essenciais: Estão presentes em todos os dispositivos. São exemplos: ◦O objeto “Identidade”, já citado, ◦O objeto “Rede”, que contêm os dados de conexão física com a rede como o MacID e endereço IP, e ainda, ◦O objeto “Roteador de Mensagens”. Objetos de Aplicação: São os objetos que definem o dado encapsulado pelo dispositivo. Estes objetos são específicos ao tipo de dispositivo e função. Por exemplo, um objeto “Motor” em uma chave de partida tem atributos descrevendo a frequência, corrente nominal e potência do motor. Um objeto “Entrada Analógica” em um módulo de E/S tem atributos que definem o tipo, resolução e valor de corrente para a entrada analógica. Objetos Específicos: São os objetos não encontrados em um perfil para uma classe de dispositivos e criados especificamente para um determinado dispositivo. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  138. 138. Protocolo de Controle e Informação CIP - Control and Information Protocol Podemos definir o CIP como sendo o protocolo tráfego de Informação e controle; É estabelecida uma conexão explicita, ponto-a-ponto para transmitir grandes quantidades de dados; Adequada para operações que requerem mais confiabilidade do que desempenho em tempo real; Usufruto da confiabilidade inerente do protocolo de transporte TCP Tráfego de dados de E/S em tempo real - É estabelecida uma conexão implícita, usando o protocolo UDP para transmitir pequenas quantidades de dados referentes as atualizações dos dados de E/S. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  139. 139. Protocolo de Controle e Informação CIP - Control and Information Protocol Em adição a especificação de como os dados dos dispositivos são representados na rede, o protocolo CIP especifica diferentes meios nos quais os dados podem ser acessados tais como cíclico, “polled” e mudança, conforme descrição efetuada no estudo da DeviceNet; O protocolo CIP, a partir do tipo de dado e do mecanismo de transferência adotado, decide qual o protocolo da camada de transporte será adotado: TCP ou UDP. Tráfego de dados por mecanismos cíclicos, “polled” e por eventos - É estabelecida uma conexão implícita, usando o protocolo UDP para transmitir dados de um produtor para múltiplos destinatários (consumidores). Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  140. 140. Diagrama do CIP nas Camadas OSI Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  141. 141. Comunicação entre Camadas Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 A figura a seguir demostra o CIP solicitando serviços dos protocolos da camada de transporte do TCP/IP, sendo o UDP para controle de E/S em tempo real e o TCP para mensagens explicitas usadas em configuração dos dispositivos.
  142. 142. Arquitetura Integrada de um Sistema de Automação Utilizando as Redes da Rockwell Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  143. 143. Aspectos de Integração das Tecnologias Observa-se a existência de “gateways” entre ControlNet e DeviceNet, e ainda entre ControlNet e Foundation Fieldbus, inclusive permitindo a configuração de dispositivos Foundation Fieldbus de qualquer ponto da rede ControlNet; Percebe-se que há uma forte tendência de fazer com que o Ethernet/IP ocupe o espaço da ControlNet na parte superior do sistema (interligação de CLPs e PCs), devido a sua maior velocidade e menor custo para os mesmos dispositivos; Na parte inferior do sistema (Interligação entre CLPs e módulos de E/S) o DeviceNet pode cumprir o papel da ControlNet. Portanto, apesar das claras evidências da eficiência da ControlNet, não se recomenda o seu uso em novas instalações, onde o conjunto Ethernet/IP e DeviceNet possa ser uma solução. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  144. 144. Exemplo de Integração Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  145. 145. XXI – AULAS PRÁTICAS DE LABORATÓRIO Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  146. 146. VON aplicado a topologias de RI A seguir verificaremos aplicações do software VON aplicado em topologias de redes Industriais; No entanto, previamente vamos verificar alguns conceitos sobre topologias de Redes Industriais e dimensionamentos com alguns exercícios de aplicação. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  147. 147. Topologia em Barramento – Rede DeviceNet Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  148. 148. Topologia em Barramento – Rede DeviceNet Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  149. 149. Distância Máxima dos cabos Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  150. 150. Distâncias a Considerar no Barramento Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  151. 151. Velocidade de Tráfego x Distâncias Cumulativas das Derivações A distância entre qualquer dispositivo em uma derivação ramificada para a linha tronco não pode ser maior que 6m. A derivação cumulativa máxima refere-se a soma de todas as derivações, cabos espessos ou finos no sistema do barramento. Importante: A derivação cumulativa máxima não poderá exceder o comprimento derivativo máximo permitido para a taxa específica de comunicação usada, conforme tabela a seguir. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Velocidade Derivação cumulativa 125kbit/s 156m 250kbit/s 78m 500kbit/s 39m
  152. 152. Cálculos de Velocidade e Distância No exemplo abaixo, utilizam-se quatro derivações do tipo “T” e dois DevicePort, para ligarmos 13 dispositivos ao cabo tronco; A derivação cumulativa deste exemplo é de 42m e em nenhum nó a distância máxima é maior que 6m a partir do cabo tronco; Esta configuração permite a utilização de uma velocidade de 250kbit/s ou 125 kbit/s; A velocidade de 500 kbit/s não pode ser utilizada, porque a derivação cumulativa excede o limite de 39m para esta velocidade. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  153. 153. Exemplo de Derivações Cumulativas Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  154. 154. XXII – Automação de Sistemas Elétricos Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  155. 155. Arquitetura de Sistemas Elétricos Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  156. 156. Sistema de Proteção Microprocessado Num sistema elétrico simplificado com: Geração, Transmissão e Distribuição, precisa-se fornecer energia elétrica aos consumidores atendendo aos índices de desempenho exigidos, dentre os quais: ◦níveis de tensão máximos e mínimos; ◦número de interrupção do fornecimento; ◦duração da interrupção do fornecimento; Nas subestações, os níveis de tensão são elevados ou reduzidos com transformadores; São utilizados dispositivos de proteção e manobra como disjuntores, religadores e chaves seccionadoras, como elementos finais de controle de um sistema de relés de proteção, que recebem de sensores informações de variáveis como tensão, corrente, potência, freqüência, etc.; Assim como os controladores de processo, os relés de proteção evoluíram ao longo dos anos e hoje são equipamentos microprocessados com interfaces de comunicação para transferência de dados digitais; As concessionárias procuram construir as redes de distribuição de forma a oferecer redundância na opção de fornecimento de energia aos principais consumidores permitindo o isolamento de trechos defeituosos através da manobra dos dispositivos de proteção. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  157. 157. Funções da Automação de Sistemas Elétricos Armazenamento de dados obtidos da monitoração (permite montar uma base de dados histórica do comportamento das variáveis ao longo de um dia, mês ou ano, possibilitando estudos de ampliação do sistema e análise de faltas); Gráficos de tendência construídos com os dados obtidos da monitoração (permitem que o operador antecipe algum tipo de falta antes que ela ocorra); Intertravamentos, isto é, execução ou impedimento de manobras a partir de lógica combinacional da condição atual do sistema (pode criticar ou antecipar eventuais comandos do operador impedindo que manobras proibitivas sejam efetuadas); Registro seqüencial de eventos (permite conhecer a ordem da atuação dos dispositivos, permitindo uma análise posterior da causa das faltas); Religamento automático pode ser efetuado para a recomposição do sistema sem a intervenção do operador, reduzindo o tempo de duração da falta e reduzindo a chance de execução de manobras erradas; Controle de tensão e reativos , visando a manutenção dos limites esperados através da manobra de banco de capacitores e compensadores síncronos também pode ser uma função do sistema de automação. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  158. 158. Arquitetura de Sistemas SCADA Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  159. 159. Utilização do SCADA na Automação dos Sistemas Elétricos Os Sistemas SCADA (Supervisory Control And Data Acquisition) são tipicamente usados em concessionárias de serviços de distribuição de energia, gás, água, como também em processos industriais, em indústrias de mineração, lazer e segurança, que precisem usar telemetria para conectar equipamentos e sistemas separados por grandes distâncias; Telemetria é usada para enviar comandos, programas e receber informação de monitoramento destas localizações remotas; SCADA refere-se a combinação de telemetria e aquisição de dados. Coleta informações remotas, transfere-as para uma central, e executa qualquer análise e controle necessário, mostrando as informações em telas e displays. Um sistema SCADA consiste em um número de Unidades Terminais Remotas (UTRs) coletando dados de campo e enviando de volta a uma Estação Mestre, também chamada de Unidade Terminal Central (UTC), via um sistema de comunicação como linha discada, rádio, celular, satélite etc. A Estação Mestre mostra o dado adquirido através de um software de visualização e permite que o operador efetue tarefas de controle remoto. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  160. 160. Protocolos de Sistemas SCADA para Sitemas de Energia Elétrica DNP3 ou Distributed Network Protocol Versão 3.3 é um padrão de telecomunicações para sistemas SCADA que define a comunicação entre Estações Mestre, UTRs e IEDs; O DNP3 foi criado como um protocolo proprietário pela divisão Harris Controls da GE para ser usado em concessionárias de energia elétrica; Em 1993 o protocolo foi disponibilizado para terceiros através da criação do DNP3 User Group, com aplicações em concessionárias de óleo e gás, água, saneamento e Segurança, sendo predominante no mercado americano; IEC 60870 -5 refere-se a uma coleção de padrões abertos produzidos pela Comissão Internacional de Eletrotécnica, ou IEC, com descrições funcionais detalhadas para telecontrole de equipamentos e sistemas em processos espalhados geograficamente, em outras palavras, sistemas SCADA; É direcionado para aplicação em SCADA de sistemas elétricos, mas pode ser utilizado em outros sistemas, sendo predominante no mercado europeu. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  161. 161. O Modelo OSI e o Modelo EPA O DNP3 .0 e o IEC 60870 -5 são protocolo estruturado em camadas, mas não seguem o modelo OSI de 7 camadas, mas um modelo simplificado de 3 camadas, proposto pelo IEC (International Eletrotechnical Comission) chamado de EPA (Enhanced Performance Architeture). O DNP3.0 ainda adicionou uma quarta camada, chamada Pseudo- Transporte, que permite a segmentação de mensagens. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  162. 162. Características Básicas do Protocolo DNP3 Endereçamento para mais de 65 mil dispositivos com até 65 mil pontos; Pedir e responder a múltiplos tipos de dados em uma mesma mensagem; Quebrar mensagens em pacotes múltiplos para garantir uma excelente detecção de erro; Incluir apenas dados modificados numa resposta (sem repetir todos os dados da pergunta); Dar prioridades a itens de dados; Responder sem ser solicitado; Sincronização automática dos relógios dos dispositivos; Eventos com etiqueta de tempo. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  163. 163. Melhorias na Automação com DNP3 Manusea mensagens com dados de tipos diferentes (discretos, inteiros, flutuantes) sendo mais flexível em comparação com o Modbus, onde cada comando somente pode solicitar ou enviar dados de um mesmo tipo (discreto ou analógico); “Report by Exception” é a possibilidade de montar uma mensagem de resposta otimizada com apenas os dados que sofreram variação deste a última varredura, diminuindo os tempos de transmissão, item muito relevante em sistemas com elevado número de UTRs; “Unsolicited Messages” ou mensagens não solicitadas são uma ferramenta importante para que as UTRs sejam capazes de informar dados ao SCADA sem esperar pelo “polling”, permitindo uma rápida detecção de eventos pelo operador; Sincronização dos relógios das UTRs pode ser feita regularmente pela Unidade Central do SCADA, considerando inclusive os tempos de transmissão do comando de sincronismo para aumentar a precisão; Etiqueta de tempo Opcional da informação de data e hora do registro do evento pela UTR. Um dispositivo DNP armazena os eventos de mudança de estado com ou sem etiqueta de tempo, já que algumas aplicações não necessitam desta informação. O uso de etiquetas de tempo levam o sistema à: ◦Plotagem precisa de dados, mesmo daqueles coletados não periodicamente; ◦Análise de duração do funcionamento de equipamentos; ◦Uso otimizado de meios de comunicação não contínuos; ◦Análise comparativa de eventos de diferentes UTRs; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  164. 164. Importância da Etiqueta de Tempo Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  165. 165. Sequência de Tratamento do Evento 1 – O Diagrama Unifilar do slide anterior mostra um sistema elétrico com cargas de potência constante de 15MW sendo alimentadas por duas linhas de transmissão idênticas com 75% de carregamento; 2 – O sistema é supervisionado por um SCADA; 3 – Um acidente de trânsito provoca a queda de um cabo da linha 1 no chão e um conseqüente curto- circuito fase-terra; 4 – O relé de proteção abre o disjuntor da linha 1 para evitar danos pessoais; 5 – A Linha 2 assume a carga de 7,5 MVA antes transferida pela Linha 1, chegando a transferir 15MVA (sobrecarga de 50%). 6 – Decorridos alguns milisegundos, o relé de proteção abre o disjuntor da linha 2 para evitar danos materiais. 7 – As UTRs transmitem ao SCADA os eventos de abertura dos disjuntores com os atrasos inerentes a protocolo de comunicação utilizado. 8 - O operador recebe as informações segundos depois. Se não houver um sincronismo nos relógios das UTRs e etiquetas de tempo nos eventos, o sequenciamento de eventos será efetuado pela ordem de recepção pela IHM do SCADA, e não pela ordem real dos acontecimentos; 9 – O uso da etiqueta de tempo garante que o SCADA irá disponibilizar ao operador o sequenciamento de eventos conforme realmente aconteceu, mesmo que ocorram atrasos na transmissão de dados pelas UTRs; 10 – Para que a etiqueta de tempo tenha validade é essencial que haja um sincronismo dos relógios das UTRs. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  166. 166. Camada Física no Protocolo DNP3 Transmissão de Dados Seriais Padrão RS-232 Padrão RS-485 Ethernet Topologias Ponto a Ponto Multiponto Hierárquico com Concentrador Intermediário Múltiplos Mestres Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  167. 167. Camada de Enlace no Protocolo DNP3 Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  168. 168. Camada de Enlace no Protocolo DNP3 A camada de enlace lógico gerencia o link tx-rx e corrige eventuais erros ocorridos na camada física; O DNP adiciona a cada quadro um cabeçalho e um trailer; Cada quadro tem o tamanho máximo de 256 bytes; Cada quadro tem 16 bits para o endereço de origem e mais 16 bits para o endereço de destino que pode ser o endereço de broadcast (0xFFFF); Os endereços, mais o comprimento do quadro, mais dois bytes de “inicio de quadro” e um byte de controle formam o cabeçalho de 10 bytes; O byte de controle indica o propósito do quadro e o estado do enlace lógico; Possíveis valores para este bloco de controle incluem; ACK, NACK, Link Not Functioning, Link Not Used, Request Link, Request link status e outros; Quando um comando USER DATA – CONFIRM EXPECTED é solicitado, o receptor deve responder com um quadro ACK se o quadro foi recebido e passou no teste do CRC; O comando USER DATA – NO CONFIRM envia dados sem confirmação por parte do receptor. Pode ser usado para dados de baixa prioridade com a vantagem de maior velocidade, mas ao custo de não termos a certeza da integridade da mensagem recebida. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  169. 169. Camada de Enlace no Protocolo DNP3 Os dispositivos DNP utilizam a técnica de comunicação Mestre-Escravo (varredura ou polling) em qual ambos os dispositivos (mestre e escravo) podem iniciar transações; Contudo, somente um Mestre DNP pode iniciar uma mensagem de broadcast para todos os escravos; Os escravos iniciam transações no caso de uso de “Mensagens não Solicitadas”, as quais podem informar somente os dados que sofreram modificação desde a última varredura (RBE); Neste caso, para evitar e tratar as possíveis colisões, é usada a técnica CSMA/CD ou CSMA/BA, ou seja, todo dispositivo escuta o meio antes de transmitir, em caso de silêncio, ele inicia a transmissão. Em caso de dois dispositivos iniciarem a comunicação ao mesmo tempo, acontecerá a colisão, e eles permanecerão em contenção por um tempo aleatório (CSMA/CD) ou predefinido (CSMA/BA) e tentarão enviar os dados novamente; Em sistemas elétricos com grandes quantidades de UTRs a experiência recomenda o uso do CSMA/BA, pois é esperado que várias UTRS iniciem a comunicação em caso de defeitos na rede e o CSMA/BA define prioridades entre as UTRs evitando colisões sucessivas; O normal é usar prioritariamente a técnica de mensagens não solicitadas em conjunto com uma varredura de integridade com período na casa das dezenas de minutos para detectar as falhas de comunicação e de estado da própria UTR. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  170. 170. Organização dos Dados no Protocolo DNP3 No DNP, as informações são organizadas em tipos de dados; Cada tipo de dado é chamado Object Group, e é associado a um numero do objeto: ◦Objeto 1 - Binary Inputs; ◦Objeto 10 - Binary Outputs; ◦Objeto 30 - Analog Inputs; ◦Objeto 40 - Analog Outputs; ◦Objeto 20 – Counters; ◦Objeto 50 - Time and Date; ◦Outros. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  171. 171. Organização dos Dados no Protocolo DNP3 Existem variações dentro de cada Object Group; Por exemplo, uma Entrada Binária (Binary Input) pode vir com a data e hora da ultima mudança de valor; Um valor analógico pode ser definido com ou sem sinal, de 16 ou 32 bits, etc.; A tabela abaixo mostra um exemplo de variações existentes dentro de um grupo de objetos nº 30 de Entradas Analógicas (EA) com 6 variações: 32 bits, 16 bits, 32 bits sem sinalização, 16 bits sem sinalização, Ponto Flutuante de 32 bits, Ponto Flutuante de 64 bits; Esta funcionalidade mostra maior flexibilidade do DNP em relação ao Modbus, onde somente são usados registradores de 16 bits para representar grandezas analógicas. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  172. 172. Transferência de Dados no Protocolo DNP3 Além dos Grupos de Objeto e variação, os dados são classificados de acordo com sua prioridade: ◦Classe 1 “Changed Data” – Prioridade Alta (enviados ao Mestre por mensagens não solicitadas); ◦Classe 2 “Changed Data” – Prioridade Média (enviados ao Mestre por varredura periódica); ◦Classe 3 “Changed Data” – Prioridade Baixa (enviados ao Mestre por varredura periódica ou simplesmente deixados na UTR); ◦Classe 0 “Static Data” – Todos valores instantâneos ou últimos valores das variáveis (lidos por uma varredura de integridade); Opções para transferências de dados: ◦Varredura não periódicas para dados Classe 0; ◦Varredura periódicas para dados Classe 2 e 3; ◦Informes não solicitados para dados Classe 1; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  173. 173. Endereçamento de Dados no Protocolo DNP3 “Endereço.Grupo.Variação.Endereço do Ponto”; O endereçamento no DNP3 é composto por quatro campos separados por pontos; O fabricante do equipamento fornece um documento com os pontos disponíveis em cada grupo e variação. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013 Endereço Grupo Variação Endereço do Ponto DNP 1.30.4.0 UTR 1 16 bit Analog Input, without flags 0 DNP 3.32.4.1 UTR 3 16 bit Analog Input, with time, with flags 1
  174. 174. Códigos de Função Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  175. 175. Características da Operacionalização As transações entre a UTR e o Mestre são efetuadas usando funções de transferência, controle, congelamento, aplicação e arquivo; Funções de transferência (CONFIRM, READ e WRITE) são aquelas destinadas a transferir objetos definidos de dados. Estas são as funções que adquirem dados da UTR ou escrevem informações de comando; As funções de controle são usadas para operar ou mudar pontos de controle em uma UTR. Estes pontos podem ser saídas discretas ou valores analógicos que podem ser operados diretamente, com ou sem reconhecimento, ou com uma seqüência de seleção antes de operação, (SOB – Selection Before Operation). A seqüência de seleção antes da operação é uma funcionalidade de segurança bem conhecida nas concessionárias de energia elétrica. Ela fornece um nível adicional de segurança para evitar operações indesejadas decorrentes de uma mensagem corrompida, ou de um erro humano, tal como selecionar o dispositivo errado dentro de um grupo de dispositivos similares mostrados em uma tela de supervisão; Selecionar antes de operar envolve os seguintes passos: ◦Seleção do ponto de controle; ◦A UTR responde com a identidade e estado do ponto selecionado; ◦A UTR inicia um temporizador de “select-operate”; ◦A IHM mostra o ponto selecionado diferentemente, enfatizando a sua seleção; ◦A função Operação é enviada para o ponto selecionado; ◦A UTR rejeitará a mensagem se a identificação do ponto não bater com o ponto previamente selecionado; ◦A UTR deselecionará o ponto se o temporizador “select-operate” expirar antes de receber a função operação; O DNP também disponibiliza a Operação Direta com ou sem reconhecimento do sucesso da operação. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  176. 176. Protocolo IEC 60870-5-101 Similaridades com DNP3 Diferenças com DNP3 Alta segurança na transmissão de dados; Operação por Polling e RBE; Uso de Mensagens não solicitadas; Definições de objetos de dados adequado para SCADA Sincronização de Tempo; Etiqueta de Tempo; Congelamento e Zeramento de Contadores; Ação SBO; Grupos de dados e Classes; Download e Upload de Arquivos. Maior faixa de endereçamento; Uso de Mensagens não solicitadas somente ponto a ponto; Somente um tipo de dados por mensagem; Não tem procedimentos de testes e certificação; Objetos de Dados mais simples; Endereçamento mais simples; Configuração de baixo nível mais complexa. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  177. 177. Comentários Entre DNP e IEC 1 – Ambos IEC e DNP3 são protocolos abertos que foram projetados especificamente para aplicações de telecontrole . Eles foram desenvolvidos para necessidades comuns, tem o mesmo ponto de origem e tem evoluído em um período de tempo similar; 2 – Ambos tem uma ênfase nas necessidades das concessionárias de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica, apesar que o DNP3 tem mais tipos de dados voltados para SCADA de uso geral que para o uso particular em sistemas elétricos; 3 – A comparação das características de cada um mostram a existência de diferenças que podem se traduzir em benefícios em algumas situações e desvantagens em outras; 4 – De certo modo, IEC aparenta ser um protocolo mais simples, mas isto não necessariamente significa uma implementação mais simples; 5 - Os procedimentos de testes e certificação pela DNP Users Group são fatores determinantes para alcançar a interoperabilidade de produtos de diferentes fabricantes; 6 – A escolha entre IEC ou DNP3 por uma organização dependerá de muitos fatores. Em termos funcionais, ambos alcançam resultados similares. Para o desenvolvedor de produtos, claramente o protocolo suportado dependerá das necessidades dos clientes, a qual será derivada de sua indústria e localização. Para muitos deles suporte de ambos os protocolos será essencial; 7 – O IEC tem forte presença na Europa enquanto que na Austrália e nas Américas, inclusive no Brasil, predomina o DNP3. Na Ásia temos participação similar dos dois protocolos. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  178. 178. Arquitetura do Centro de Controle da Cosern A figura mostra a arquitetura básica do Sistema SCADA da concessionária do Estado do Rio Grande do Norte; Em cada subestação temos uma UTR responsável pela concentração dos dados dos IEDs locais e religadores remotos usando protocolos como DNP3 ou CONITEL; As UTRs se comunicam com o Centro de Controle via protocolos como IEC 870.5-101. Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  179. 179. Fontes de Consulta 1 1 – Foundation Fieldbus Overview – Worldwide Technical Support and Product Information - National Instruments Corporate Headquarters - 11500 North Mopac Expressway, Austin, Texas 78759-3504 – USA - Tel: 512 683 0100 – www.ni.com/info - © 2003–2007; 2 – FOUNDATION Fieldbus™ - Practical Success Stories – Phil Saward, Product Manager – MTL Instruments – Cooper Crouse-Hinds; 3 – Implementação de Projetos com Foundation Fieldbus – Helder Anibal Hermini; 4 - Foundation Fieldbus Control in Field- Benefits - Alan Baird- Plantweb - Marketing Director at Emerson Process Mangement - Middle East & Africa - © 1999 – 2007 Fieldbus Foundation – Dec., 2010; 5 – Foundation Fieldbus – Cap.R4 – UFMG – Departamento de Engenharia Eletrônica – Constantino Seixas Filho; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  180. 180. Fontes de Consulta 2 6 – Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial – Redes Industriais – Aula 08 – CEFET-RN; 7 - REDES INDUSTRIAIS NO CONTROLE DE PROCESSOS - BASF S. A. - Cláudio Antonio de Oliveira Correia Engenharia de Campo Resinas - Tel.: 55 (011) 4347-1194 Fax: 55 (011) 4347-1246 - claudio.correia@basf-sa.com.br, e Hermano José de Souza Engenharia de Campo Resinas - Tel.: 55 (011) 4347-1194 Fax: 55 (011) 4347-1246 - hermano-jose.souza@basf-sa.com.br; 8 – Uma Visão Geral Sobre Fieldbuses - Lúcia R.H.R. Franco - Escola Federal de Engenharia de Itajubá Coordenadora do Comitê Fieldbus do COBEI/ABNT -lfranco@iee.efei.br, http://www.iee.efei.br/~gaii/index.htm; 9 – Technical Information – TI 38K02A01-01E - FOUNDATION™ fieldbus Book - A Tutorial - Yokogawa Electric Corporation – 2-9-32, Nakacho, Musashino-shi, Tokyo 180-8750 - JAPAN - Tel.: 81-422-52-5634 Fax.: 81-422-52-9802 - ©Copyright Mar. 1998(YK) - 3rd Edition - April 30, 2012; 10 – Connecting to the Future Today – System 302 Enterprise Automation – A Foundation Fiedbus System – SMAR; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  181. 181. Fontes de Consulta 3 11 – FOUNDATION Fieldbus Technical Overview – FD-043 Revision 3.0 - © 1996 (Rev.1998, 2003) – David A. Glanzer – Director of Technology Development Fieldbus Foundation – 9005 Mountain Ridge Drive – Bowie Bldg., Suite 190 – Austin, TX 78759-5316 – USA - Voice: (512) 794-8890 – Fax: (512) 794-8893 - http://www.fieldbus.org ; 12 – Redes Fieldbus: Visão Geral – rai_cap3_part2 - www.dca.ufrn.br/~affonso/FTP/DCA447/aulas/rai_cap3_part2.pdf ; 13 – Redes Neurais Artificiais no Ambiente de Redes Industriais Foundation Fieldbus Usando Blocos Funcionais Padrão - Diego Rodrigo Cabral Silva, Orientador Prof D.Sc. Adrião Duarte Dória Neto, Co- orientador Prof D.Sc. Luiz Affonso Henderson Guedes de Oliveira - Natal, Fev./2005 - Universidade Federal do Rio Grande do Norte - Centro de Tecnologia - Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica; 14 – Technical information – Foundation Fieldbus - SAMSON AG V74 / Schulung - Weismüllerstraße 3 D- 60314 Frankfurt - Phone (+49 69) 4 00 94 67 – Telefax (+49 69) 4 00 97 16 – E-Mail: schulung@samson.de – Internet: http://www.samson.de; 15 – OLE for Process Control – Data Access Custom Interface Standard – Version 2.05A – June 28 2002; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  182. 182. Fontes de Consulta 4 16 – OLE for Process Control - Michael Bell, Alpret Control Specialists - © Electricity + Control June 1998; 17 – OPC Security White Paper #1 Understanding OPC and How it is Deployed, #2 OPC Exposed, and #3 Hardening Guidelines for OPC Hosts - Digital Bond - suite 130 1580 sawgrass corp pkwy sunrise, FL 33323 office 954.315.4633- www.digitalbond.com and British Columbia Institute of Technology Byres Research - po box 178 unit#5 – 7217 Lantzville rd. - Lantzville, BC Canada v0r 2h0 - office 250.390.1333 fax 250.390.3899 - www.byressecurity.com – Jul.27 and Nov.13, 2007; 18 – DeviceNet – Cap.R2 – UFMG – Departamento de Engenharia Eletrônica – Constantino Seixas Filho; 19 – ControlNet – Network for remote I/O – ABB Satt AB - 493-0752-11 - 9811 Ver. 2-2 – AE Andersson Grafiska AB – Printed in Sweden – 1998; 20 – ControlNet Network System Overview - Release 1.5 – Allen Bradley – Rockwell Automation - Publication 1786-2.12 – August 1997 - Allen-Bradley Headquarters, 1201 South Second Street, Milwaukee, WI 53204 USA, Tel: (1) 414 382-2000 Fax: (1) 414 382-4444 – Printed in USA; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013
  183. 183. Fontes de Consulta 5 21 – The CIP Advantage™ Technology Overview Series - ODVA Ann Arbor, Michigan, USA - TEL: +1 734-975-8840 FAX: +1 734-922-0027 - EMAIL: odva@odva.org - WEB: www.odva.org - PUB000138R2 ©2006 ODVA, Inc.; 22 – Industrial EtherNet – Cap.R5 – UFMG – Departamento de Engenharia Eletrônica – Constantino Seixas Filho; 23 – Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial – Redes Industriais – Aula 09 – CEFET-RN – ria9-100423120959-phpapp01.pdf; Prof. Camilo Alberto Anauate – 20/05/2013

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