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  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Família de Protocolos da Allen Bradley Protocolos Abertos Protocolos Proprietários Ethernet/IP RIO : Universal Remote I/O ControlNet DH-485 : Data HighWay 485 DeviceNet DH+ : Data HighWay Plus Foundation Fieldbus Controlar, Configurar e Coletar Uso do CIP – Control and Information Protocol Arquitetura Produtor/Consumidor 1. A Allen Bradley, 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. 2. São disponibilizados protocolos abertos para os níveis de dispositivos, controle e informação com possibilidade de combinações sem sacrifício de desempenho. 3. 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. 4. Com esta arquitetura é possível: • 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. 1
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Família de Protocolos da Allen Bradley Information DH+ Automation and Control DH485 RIO Discrete Device Process Device 1. A figura mostra três níveis de um sistema de automação industrial onde podemos localizar as soluções propostas pela Rockwell. 2. 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. 3. 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. 4. No nível superior ou de informação é proposta a utilização do protocolo Ethernet/IP. 2
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 DeviceNet – Características Rede para interligação de: Sensores e atuadores ON/OFF Chaves de partida eletrônicas Controladores Lógicos Programáveis Interfaces Homem Máquinas. Padrão aberto Mantido pela associação ODVA. Baseado no protocolo CAN. Definição do meio físico. Especificação da camada de aplicação 1. 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. 2. A rede DeviceNet possui protocolo aberto, tendo 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 crescim ento global. 3. Coube a especificação do DeviceNet definir o meio físico e conectores e definir a camada de aplicação. 4. O DeviceNet 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. 3 View slide
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 DeviceNet e o Modelo OSI Semi Pneu AC Position Other Devices Valve Drives Cntrllrs Profiles User Layer CIP Application Object Library Application CIP Application Layer Layer Explicit, I/O, Routing DeviceNet encapsulation Transport ControlNet DLL DLL Future and Data Link UPD TCP Layer Transport Transport IP DeviceNet ControlNet Ethernet Physical Physical Physical Physical Future Layer Layer Layer Layer ATM, Firewire USB, etc. 1. A figura mostra a relação entre o protocolo DeviceNet e o modelo OSI. 2. As camadas inferiores são baseadas no CAN, enquanto que as superiores fazem uso do protocolo CIP. 4 View slide
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 DeviceNet – Meio Físico Cabo Grosso Cabo Fino Cabo Chato 1. 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. 2. 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. 3. 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. 4. 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. 5
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 DeviceNet - Topologia Topologia física em Barramento. Linhas tronco e derivações. Conexão de até 64 elementos. Taxas de transmissão de 125 a 500 kbps. Resistores de terminação de 121 ohms. 1. A rede DeviceNet admite somente a topologia com um cabo tronco (principal) e derivações executadas obrigatoriamente do cabo principal. 2. A rede admite 64 equipamentos 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 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. 3. A tabela ilustra as restrições quanto ao comprimento dos cabos em função da taxa de transmissão adotada para a troca dos dados na rede. 4. A rede DeviceNet requer resistores de terminação montados nos dois extremos do cabo principal da rede, que tem como função evitar a reflexão dos sinais, e deve ser montado com resistores de 121? ¼ watt, conectado entre os dois fios do par de comunicação (azul e branco). 6
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 DeviceNet – Aquisição de Dados “Polling”, “ Strobed”, Cíclico e Mudança de Estado mudança-de-estado mudança-de-estado polling E/S Digitais E/S Analógicas mudança-de- mudança-de-estado cíclico a cada 500ms cíclico polling a cada 1000ms 1. 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. 2. O conceito produtor - consumidor visa eliminar troca de informações desnecessárias, e utiliza métodos de comunicação apropriados tais como: polled, strobed, change-of-state e cyclic. 3. 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. 4. 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; 5. 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; 6. 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. 7
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Visão Geral da ControlNet História Desenvolvido pela Allen Bradley em 1995. Protocolo aberto em 1996 controlado pela ControlNet International Características Rede única para módulos de E/S, comunicação e programação (upload/download) de CLPs Modelo produtor/consumidor. Repetibilidade e Determinismo. Taxa de 5Mbps. Capacidade para 99 nós. Substituta dos protocolos Data Highway 1. A necessidade de uma rede de controle que permita uma previsão confiável de quando os dados serão entregues e assegure que os tempos de transmissão sejam constantes e não imunes a conexão e desconexão de dispositivos na rede, levaram ao desenvolvimento da ControlNet. 2. Trata-se de uma rede para o nível intermediário, ou de controle, com transferência de dados em tempo real, provendo transportes de dados críticos de E/S e mensagens, incluindo o upload e download de programação e configuração de dispositivos. 3. 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. 4. ControlNet permite tanto o multicast de dados quanto a comunicação ponto a ponto, reduzindo o tráfego no barramento e aumentando o desempenho do sistema. 5. ControlNet apresenta determinismo e repetibilidade, necessidades críticas para assegurar um desempenho em tempo-real. 6. Determinismo é a habilidade de prever com confiabilidade quando os dados serão entregues. 7. Repetibilidade assegura que os tempos de transmissão são constantes e imunes à conexão e desconexão de dispositivos na rede. 8
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 ControlNet e o Modelo OSI Semi Pneu AC Position Other Devices Valve Drives Cntrllrs Profiles User Layer CIP Application Object Library Application CIP Application Layer Layer Explicit, I/O, Routing DeviceNet encapsulation Transport ControlNet DLL Future and Data Link DLL UPD TCP Layer Transport Transport IP DeviceNet ControlNet Ethernet Physical Physical Physical Physical Future Layer Layer Layer Layer ATM, Firewire USB, etc. 1. A figura mostra a relação entre o protocolo ControlNet e o modelo OSI. 2. As camadas inferiores são especificadas pelo protocolo ControlNet, enquanto que as superiores também fazem uso do protocolo CIP assim como a DeviceNet. 9
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 ControlNet – Camada Física Concebida com uma robusta rede de comunicação para aplicações industriais Meios Físicos Cabo coaxial RG 6/U 75Ω com conector BNC. Fibra ótica Redundância 1. Ao ter sido concebida visando o uso industrial a ControlNet procurou usar os meios físicos mais confiáveis, ou seja, cabo coaxial e fibra ótica e ao mesmo tempo com ampla disponibilidade no mercado. 2. É recomendado o cabo coaxial tipo RG-6 com quatro malhas de proteção bastante usado nas instalações de televisão a cabo. 3. 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. 4. A alimentação elétrica dos dispositivos deve ser feito por cabeamento em separado. 10
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 ControlNet – Camada Física Topologias Barramento, estrela, árvore ou qualquer mistura. Distância de 1km sem repetidores. Distância de 5km com repetidores. 1. A topologia física é o barramento com derivações (taps) permitidas em qualquer posição. 2. Com repetidores é possível montar topologias em árvore e estrela conforme mostram as figuras do slide. 3. A distância de 1,000m com cabo coaxial só pode ser alcançada em uma rede com dois nós. 4. Com 32 nós é possível chegar a 500m. Com 48 nós é possível chegar a 250m. 5. Com o uso de repetidores e fibra ótica é possível chegar a 30km de rede. 6. A quantidade de repetidores é limitada pelo atraso de propagação dos sinais. 7. A quantidade de nós é limitado em 99, ou 48 em um mesmo segmento sem repetidores. 11
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 ControlNet – Camada de Enlace Como a ControlNet Funciona Serviços da Camada de Enlace Intervalo de Atualização da Rede Serviço Agendado Serviço Não Agendado Serviço Manutenção Acesso Múltiplo Concorrente no Dominio do Tempo 1. 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 a rede é selecionado pelo usuário através da seleção de um parâmetro chamado NUT (Network Update Time). 2. Este parâmetro tem valor mínimo de 2ms podendo chegar a 50ms. 3. Informações críticas são enviadas durante a parcela de tempo destinada ao serviço agendado de uma forma determinística e com repetibilidade. 4. 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. 5. 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. 12
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Visão Geral da EtherNet IP História Criado a partir de esforços para encapsular os protocolos DeviceNet e ControlNet em uma rede com protocolo Ethernet/TCP-IP. Mantida pela associação ODVA Objetivos Fornecer um serviço de comunicação de dados industriais usando o hardware e cabeamento ethernet usufruindo da sua velocidade e baixo custo. 1. EtherNet/IP, onde IP significa Industrial Protocol , foi criada pelos esforços combinados da ODVA, ControNet International e Rockwell Automation. Os esforços anteriores da Rockwell para encapsular o protocolo ControlNet no protocolo ethernet/TCP-IP foi a base para o seu desenvolvimento. 2. A EtherNet/IP foi projetada 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. 3. Pela sua larga utilização e disponibilidade de fornecedores, o custo do hardware da Ethernet se torna mais acessível que o da ControlNet. 13
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 EtherNet/IP e o Modelo OSI 1. Os protocolos DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP tem em comum o uso do protocolo CIP (Communications and Information Protocol) na camada de aplicação. 2. 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. 3. Por exemplo, cada dispositivo CIP tem a necessidade de colocar um objeto “Identidade” disponível na rede. O objeto identidade contem 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. 4. O CIP especifica quais valores ou atributos devem estar presentes e quais devem ser disponibilizados aos demais dispositivos. 5. O objeto identidade é um exemplo de um objeto essencial, mas há três tipos de objetos: 6. 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”. 7. 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 freqüência, 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. 8. Objetos Específicos: São os objetos não encontrados em um perfil para uma classe de dispositivos e criados especificamente para um determinado dispositivo. 14
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Control and Information Protocol – CIP Tráfego de Informação 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. 1. 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. 2. 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. 15
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Control and Information Protocol – CIP 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) 16
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 1. A figura 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 oTCP para mensagens explicitas usadas em configuração dos dispositivos. 17
  • CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automação Industrial / Redes Industriais – Aula 06 Arquitetura Integrada Ethernet ControlNet DeviceNet Fieldbus H1 SLC 5/03 AL N - R DE LE B A L Y CCMi CCMi CCMi SLC 5/03 AL N - R DE LE B A L Y Magnew Honeywell Magnew Honeywell A L L E N - B R A D L E Y P a n e l V i e w 5 5 0 CCMi A L L E N - B R A D L E Y P a n e l V i e w 5 5 0 7 8 9 7 8 9 4 5 6 4 5 6 1 2 3 1 2 3 . 0 - . 0 - - < < - - - - - - - - - - - - - - - - - ' - - < < - - - - - - - - - - - - - - - - - ' F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 ^ - F 1 < > F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 ^ F 6 F 7 F 8 F 9 0 v F 1 < > F 6 F 7 F 8 F 9 0 v 1. A figura mostra um exemplo de arquitetura integrada de um sistema de automação utilizando as redes da Rockwell. 2. Pode-se observar 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. 3. 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. 4. Na parte inferior do sistema (Interligação entre CLPs e módulos de E/S) o DeviceNet pode cumprir o papel da ControlNet. 5. 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. 18