redes para automação II, Notas de estudo de Engenharia de Manutenção

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Almirante Saldanha da Gama, 145 CEP: 11030-401 – Ponta da Praia – Santos-SP Fone (13) 3261-6000 – Fax (13) 3261-2394 Internet: senaisantos@sp.senai.br Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 68/166 10 Sistema SCADA A palavra SCADA é um acrônimo para Supervisory Control And Data Acquisition. Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar periodicamente o estado corrente do processo industrial, monitorizando sinais representativos de medidas e estados de dispositivos através de um painel de lâmpadas e indicadores sem que houvesse qualquer interface aplicacional com o operador. Com a evolução tecnológica, os computadores assumiram um papel de gestão no recolhimento e tratamento de dados, permitindo a sua visualização e a geração de comandos de programação para execução de funções de controle complexas. Atualmente os sistemas SCADA utilizam tecnologias de computação e comunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando aquisição de dados em ambientes complexos e dispersos geograficamente. Os sistemas SCADA cobrem um mercado cada vez mais vasto, podendo ser encontrados em diversas áreas como em hidrelétricas, indústria de celulose, petrolífera, têxtil, metalúrgica, automobilística e eletrônica, além dos setores de saneamento básico, entre outros. Estes sistemas revelam-se de crucial importância na estrutura de gestão das empresas, fato pelo qual deixaram de ser vistos como meras ferramentas operacionais, ou de engenharia, e passaram a ser vistos como uma importante fonte de informação. Num ambiente industrial cada vez mais complexo e competitivo, os fatores relacionados com a disponibilidade e segurança da informação têm grande relevância, tornando-se necessário garantir que a informação esteja disponível e segura quando necessária, independentemente da localização geográfica. Torna-se, portanto, necessário implementar mecanismos de acessibilidade, de segurança e de tolerância a falhas. Os sistemas SCADA melhoram a eficiência do processo de monitoração e controle, disponibilizando, em tempo útil, o estado atual do sistema através de um conjunto de previsões, gráficos e relatórios de modo a permitir a tomada de decisões operacionais apropriadas, quer automaticamente, quer por iniciativa do operador. Componentes do sistema SCADA Sensores e atuadores. Estações remotas. Rede de comunicações. Estações centrais de supervisão. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 69/166 Sensores e atuadores Os sensores e atuadores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados pelos sistemas SCADA. Os sensores convertem parâmetros físicos, tais como velocidade, nível de água e temperatura, em sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Os atuadores são usados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos. Estações remotas O processo de controle e aquisição de dados inicia-se nas estações remotas PLCs (Programmable Logic Controllers) e RTUs (Remote Terminal Units) com a leitura dos valores atuais dos dispositivos que lhes estão associados e o respectivo controle. Os PLCs e os RTUs são pequenos computadores através dos quais as estações centrais de monitoração se comunicam com os dispositivos existentes nas instalações fabris. Os PLCs apresentam como principal vantagem a facilidade de programação e controle de I/O. Por outro lado, os RTUs possuem boa capacidade de comunicação, incluindo comunicação via rádio, estando especialmente indicados para situações adversas onde a comunicação é difícil. Atualmente, nota-se uma convergência no sentido de reunir as melhores características destes dois equipamentos: a facilidade de programação e controle dos PLCs e as capacidades de comunicação dos RTUs. Rede de comunicações Rede de comunicações é a plataforma através da qual a informação de um sistema SCADA é transferida. Levando em consideração os requisitos do sistema e as distâncias a cobrir, as redes de comunicação podem ser implementadas, entre outros, através dos seguintes meios físicos: Cabos - Os cabos estão indicados para a cobertura de pequenas distâncias. Normalmente são utilizados em fábricas, não sendo adequados para grandes distâncias devido ao elevado custo de cablagem, instalação e manutenção; Linhas Dial-Up - As linhas Dial-Up podem ser usadas em sistemas com atualizações periódicas que não justifiquem conexão permanente. Quando for necessária a comunicação com uma estação remota é efetuada uma ligação para o respectivo número; Linhas Dedicadas - As linhas dedicadas são usadas em sistemas que necessitam de conexão permanente. Esta é uma solução cara, pois é necessário o aluguel permanente de uma linha telefônica ligada a cada estação remota; Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 70/166 Rádio-Modems - Estes dispositivos são usados em locais onde não estão acessíveis linhas telefônicas. Por vezes, em situações onde uma ligação direta via rádio não pode ser estabelecida devido à distância, é necessária a instalação de dispositivos repetidores. Estações centrais de supervisão As estações centrais de supervisão são as unidades principais dos sistemas SCADA, sendo responsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade com os eventos detectados. Podem estar centralizadas num único computador ou distribuídas por uma rede de computadores de modo a permitir a partilha de informação proveniente do sistema SCADA. A interação entre os operadores e as estações de monitoração central é efetuada através de uma interface Homem-Máquina, onde é comum a visualização de um diagrama representativo da instalação fabril, da representação gráfica das estações remotas, dos valores atuais dos instrumentos fabris e da apresentação dos alarmes detectados. Estrutura e Configuração Funcionalidades A capacidade de supervisão do sistema SCADA inclui as seguintes funcionalidades: Aquisição de dados; Visualização de dados; Processamento de alarmes; Tolerância a falhas. Aquisição de dados: A aquisição de dados é o processo que envolve o recolhimento e transmissão de dados desde as instalações fabris, eventualmente remotas, até as estações centrais de monitoração. O processo de aquisição de dados inicia-se nas instalações fabris, onde as estações remotas lêem os valores dos dispositivos a elas conectados. Após a leitura desses valores segue-se a fase de transmissão de dados em que, quer em modo de comunicação por polling, quer em modo de comunicação por interrupção (Report by Exception), os dados são transmitidos através da rede de comunicações até a estação central. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 73/166 necessidade de infra-estruturas adicionais. Não é necessário nenhum hardware especial para desenvolver uma aplicação de aquisição de dados baseada na Internet. O browser se comunica com o servidor Web através do protocolo HTTP. Após o envio do pedido referente à operação pretendida, ele recebe a resposta na forma de uma página HTML. Algumas das vantagens da implementação de uma aplicação de recolhimento de dados através de um browser são: O browser disponibiliza um modo de interação simples, com o qual os utilizadores já estão habituados, podendo incluir ajuda on-line, imagens, som e vídeo; Não é necessária a instalação de nenhum cliente, dado que geralmente todos os computadores têm browsers instalados, o que simplifica a administração do sistema; É necessário, apenas, efetuar manutenção de páginas, applets e scripts do lado do servidor; A natureza cliente-servidor da Internet faz com que seja possível que diversos clientes acessem, simultaneamente, dispositivos e visualizem dados em tempo real, independe da sua localização. Essa aproximação é diferente da tradicional e permite controlar vários dispositivos. Teoricamente, qualquer dispositivo com capacidade para se comunicar com um computador pode ser colocado na rede. Neste âmbito estão incluídos dispositivos de amostragem analógicos e digitais, PLCs, sensores, câmeras, etc. Alguns destes dispositivos, especialmente os que se comunicam via porta serial, forçaram o mercado ao desenvolvimento de dispositivos de conversão de comandos de rede para comandos por eles interpretáveis, e vice-versa. Todos os dispositivos não adequados para a rede necessitam de um servidor que traduza os pedidos e efetue a comunicação com o dispositivo através do seu protocolo nativo. DDE / NetDDE O DDE (Dynamic Data Exchange) é um protocolo cliente-servidor que permite a transferência de dados entre aplicações através do uso de mensagens do Windows. O cliente e o servidor podem ser programados para interpretar os dados como um comando. Para a troca de mensagens entre máquinas remotas existe um mecanismo semelhante ao DDE denominado NETDDE. O DDE é totalmente bit blind, ou seja, nem o cliente nem o servidor sabem se estão se comunicando com uma aplicação de 16 ou 32 de bits. Na realidade o servidor desconhece se o cliente se encontra na mesma máquina ou não. O DDE através da rede - NETDDE (Network Dynamic Data Exchange) - usa uma hierarquia de nomes semelhante ao DDE; contudo, neste caso os nomes do serviço e o tópico foram alterados, respectivamente, para servidor DDE e share representando, o Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 74/166 primeiro, o nome do computador que desempenha as funções de servidor e o segundo os nomes do serviço e o tópico da aplicação servidora. O NETDDE usa o protocolo NetBIOS, que corre sobre TCP/IP, permitindo ao NETDDE utilizar a Internet. OLE: O OLE (Object Linking and Embedding) é um mecanismo síncrono que permite a um cliente invocar uma subrotina num servidor. Circunstâncias em que o OLE pode ser considerado mais indicado do que o DDE: O uso do OLE é vantajoso em situações em que a aplicação cliente assuma o papel principal, delegando parte do seu processamento ao servidor que está à espera de pedidos do cliente para manipulação de objetos por ele mesmo gerados. Nestas circunstâncias é mais rápido e apropriado, para o cliente, invocar diretamente uma subrotina no servidor. Circunstâncias em que o DDE pode ser considerado mais indicado do que o OLE: O DDE é ideal para permitir que uma aplicação monitore outra aplicação. Devido ao fato de nenhuma das aplicações estar operando no mesmo contexto não existe interferência entre elas. O DDE é um mecanismo que, por ser bit-blind, permite, quando necessário, que um mesmo servidor suporte clientes de 16 e 32 bits. O servidor pode levar algum tempo para recolher a informação para a resposta ao pedido efetuado pelo cliente. Uma vez que o DDE é assíncrono, o cliente pode continuar a executar o seu processamento. A performance do servidor não é afetada em situações de disponibilização de dados para vários clientes em máquinas distintas, uma vez que através do uso do NETDDE as mensagens são colocadas na fila de espera das máquinas clientes. OPC: Historicamente, os integradores de sistemas tinham que implementar interfaces proprietárias ou personalizadas para extrair dados de dispositivos provenientes de diferentes produtores de hardware. Há alguns anos a Microsoft introduziu as tecnologias OLE, COM e DCOM, permitindo às aplicações interoperar e se comunicar com módulos distribuídos através de uma rede de computadores. Com o objetivo de definir um standard para utilização das tecnologias OLE e COM em aplicações de controle de produção, os principais fabricantes de hardware e software constituíram uma organização, a OPC Foundation, da qual resultou o OPC (OLE for Process Control). Atualmente está disponível uma API (Application Programming Interface) standard que permite a criação de aplicações que se comuniquem com diferentes dispositivos. As vantagens do uso do OPC, entre outras, são as seguintes: Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 75/166 Existência de uma única API para todos os servidores de OPC, de modo que o código de uma aplicação cliente possa ser reutilizado em qualquer dispositivo; Oportunidade para desenvolver aplicações clientes em ambientes de desenvolvimento que utilizem COM e ActiveX, tais como Visual Basic, Visual C++ e Excel; Identificação dos servidores que possam disponibilizar aos clientes determinados itens OPC. Um item OPC é um canal ou variável num dispositivo - normalmente um ponto de I/O - que um servidor monitoriza ou controla; Protocolos de comunicação de equipamentos (proprietários/abertos): Além das tecnologias citadas, redes proprietárias ou abertas, desenvolvidas por fabricantes de equipamentos, podem vir a fazer parte de um sistema SCADA e podem, também, ser utilizadas para troca de dados entre as estações remotas e o centro de controle operacional. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 78/166 Controle de seqüência Controle lógico Intertravamento Soma, subtração, multiplicação e divisão Raiz quadrada, compensadores de pressão e temperatura Polinômios e logaritmos Alarmes de nível, desvio, velocidade Linearizações Etc. Dele também fazem parte os cartões de interface de entrada e saída com o processo, tais como: Entradas e saídas analógicas Entradas e saídas digitais Entradas de pulsos Multiplexadores Conversores AD e DA Etc. Interfaces analógicas: Quando um dispositivo de medição não utiliza sinal tipo ON/OFF mas sim de tensão ou corrente, variando seu valor em função da variável que está sendo medida, diz-se que esse dispositivo é ANALÓGICO, sendo necessário, para tal medição, um módulo de entrada analógica. O módulo de entrada analógica é conectado aos sensores no campo e condiciona a medição para valores binários de forma que a CPU possa entender, convertendo o sinal analógico em digital, utilizando para tal um bloco denominado conversor A/D. Diagrama de ligações elétricas de um cartão de interface analógico. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 79/166 A figura a seguir, mostra o circuito eletrônico correspondente à entrada do cartão de interface analógico, onde deve ser observado que o sinal das entradas, tanto pode ser em corrente como em tensão, bastando fechar o jumper S1 ou S2, conforme o canal desejado, para que o tipo de sinal na entrada passe a ser tensão. Circuito eletrônico correspondente à entrada de um cartão de interface analógico. Circuito eletrônico correspondente à saída de um cartão de interface analógico. Resolução das interfaces D/A – A/D A conversão D/A (digital / analógica) ou A/D (analógica / digital) gera ou utiliza um sinal digital composto por bits. A quantidade de bits utilizada pela palavra digital na conversão determina o que é chamado de resolução. Quanto maior a resolução de uma interface, mais exata será sua percepção em relação aos sinais analógicos externos e mais precisa será sua representação digital. Um cartão com uma boa resolução deve possuir, além de um bom conversor A/D, uma capacidade de memória suficiente para armazenar o dado com exatidão. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 80/166 Relação entre um sinal analógico e um digital. Sistema de backup Este subsistema contém, também, as placas de memória que armazenam os microprogramas das funções executáveis, das rotinas de diagnósticos de falha e das rotinas de "back-up", além das placas e módulos para redundância parcial ou total e os circuitos necessários à segurança intrínseca. No nível deste subsistema poderá ou não haver um outro subsistema de monitoração e operação local simplificado, conforme mostrado na figura do modelo de referência. 3276410 = 0111111111111100 2 1638010 = 0011111111111100 2 410 = 0000000000000100 2 0% = 0 mA 0,01221% = 2,5635µA 50% = 10,5 mA mA SINAL ANALÓGICO SINAL DIGITAL 100% = 21 mA 010 = 0000000000000000 2 Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 83/166 Telas: As características básicas em termos de telas são as seguintes: Janelas overview Apresentam, de forma bastante simplificada até 300 controladores/indicadores, dispostos em grupos lógicos, arranjados de forma que o operador identifique facilmente as condições de alarme, modo de controle automático ou manual e grandeza dos desvios. Existem diferentes estilos e maneiras de representar as informações nestas telas; entretanto, o tipo mais comum utiliza barras para informar o operador, as quais são alinhadas por uma linha de referência onde as mesmas podem sofrer desvios para cima ou para baixo. O tamanho da barra representará a grandeza do desvio da variável em relação ao set point (geralmente configurada para 5 ou 10%). A cor da barra representará as situações de alarme e o modo de operação. Janela de instrumentos Mostra um face plate (frontal) de um instrumento típico de painel (controlador, indicador, botoeira, totalizador, etc...), permitindo ao operador verificar com mais detalhes uma seção da planta que precisa de atenção. O operador poderá, então, monitorar e manipular alguns parâmetros de controles tais como: set point, transferência automático manual, saída para válvula, etc. Isso cria uma interface de operação bem amigável porque o operador de painel continua a operar um instrumento convencional. Janela de instrumentos Janela de gráficos de tendência Mostra, numa representação gráfica e sempre atualizada, a tendência das variáveis de processo nos últimos minutos. É desejável que possam ser mostrados, simultaneamente, os gráficos de tendência de mais de uma variável do processo. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 84/166 Janela de gráficos de tendência. Janela de gráficos históricos O histórico das variáveis de processo ao longo de períodos maiores, tais como horas, dias e meses é apresentado. Os valores médios nos períodos em questão e o gráfico não são atualizados no tempo. Existem recursos do tipo cancelar a indicação de variáveis para se estudar separadamente uma ou mais variáveis. A janela de gráficos históricos pode dispor de um cursor (linha vertical ) que pode ser movimentado pela tela, fornecendo os pontos de interseção do cursor com as curvas das variáveis. Janela de gráficos históricos. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 85/166 OBS: Atualmente existem no mercado softwares de supervisão que operam em padrões gráficos gerenciados por Sistemas Operacionais baseados em janelas (WINDOWS). Isso significa que não existem, nesses sistemas, telas fixas, como visto anteriormente, bem como a hierarquia de navegação das mesmas. O usuário poderá, na operação, abrir as janelas de funções de acordo com suas necessidades tornando o sistema muito mais flexível e amigável. Janela de sinóticos Mostram graficamente seções de um fluxograma com os valores das variáveis de processo e set points atualizados continuamente. Os fluxogramas podem apresentar características adicionais que possibilitem um melhor entendimento dos mesmos, tais como indicação de alarmes, variações de nível, monitoração do trajeto do fluxo pelas tubulações, indicação dos valores das variáveis de forma dinâmica, etc. Pode-se, inclusive, ativar o "faceplate" de um controlador numa região da tela, podendo o operador atuar no mesmo sem sair da tela. Janela de sinóticos. Componentes básicos de uma estação de operação É formado por um console de operação composto, basicamente, de um terminal de vídeo, teclado e impressora. Neste conjunto é instalado um software de supervisão e controle de processos industriais. Os arranjos dos consoles são muitas vezes construídos de maneira que várias telas sejam convenientemente alocadas e um operador possa observar a operação de várias Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 88/166 • Gerenciar módulos de batelada objetivando melhorar a desempenho de várias atividades que teriam de ser realizadas manualmente. Normalmente, o subsistema de supervisão e otimização permite o desenvolvimento de software de aplicação, ou mesmo de software de controle de processos em background, sem interrupção do sistema de controle, facilitando a alteração de configurações de controle, cálculos de performance, equações de balanço material e de energia, etc. Componentes básicos do subsistema de supervisão e otimização O principal elemento deste subsistema é o que chamamos de computador hospedeiro (Host Computer). Computadores são, usualmente, divididos em várias classes, com diferentes critérios de classificação. Velocidade, memória principal e custo podem ser usados para classificá-los. Tanto a velocidade quanto a memória dependem muito do comprimento da palavra, isto é, o número de bits que um computador pode processar por vez. Os computadores, geralmente, são agrupados em quatro classes principais: Microcomputadores: São constituídos por uma única CPU. Minicomputadores: Trabalham com mais de uma CPU. Possuem alta velocidade de processamento. Mainframes: são qualificados pelo seu grande tamanho de memória e velocidade. Trabalham com várias CPUs e usualmente são encontrados como computadores centrais de grandes corporações. Super computadores: são construídos a partir de uma classe especial de processadores, freqüentemente definidos como supercomputadores. Computador host. O computador hospedeiro, quando existe, geralmente consiste de um minicomputador com um tempo de acesso de memória razoavelmente rápido. Suas funções são muitas. Podem ser tanto de processamento de palavras e de dados como Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 89/166 de aplicações diretas de controle, de geração de telas gráficas dinâmicas e/ou de programas para otimização e coordenação da operação da planta. Entre programas associados ao hospedeiro temos programas de otimização e de emissão de relatórios periódicos, entre outros, mas sempre com a finalidade de fornecer informações de alto nível ao gerente da planta. Sub-sistema de comunicação O subsistema de comunicação é composto pela rede local de comunicação (cabos, interfaces e protocolos). Tem a função de interligar os outros subsistemas de forma a integrar o equipamento. Deve possuir confiabilidade e rapidez. Subsistema de comunicação. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 90/166 12 Redes Industriais Os sistemas de controle antigos tipo SDCD tem a sua instalação e manutenção implicando em altos custos principalmente quando se desejava ampliar uma aplicação onde, além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento dos equipamentos de campo à unidade central de controle. Para minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede de comunicação digital para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes em aplicações industriais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas: Custos de instalação Procedimentos de manutenção Opções de upgrades Informação de controle de qualidade Informações de instrumentos para manutenção Configurações dos instrumentos a distância O projeto de implantação de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis. Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de um fabricante a solução para os seus problemas. Além disso, muitas redes abertas possuem organizações de usuários que podem fornecer informações e possibilitar trocas de experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma rede. Redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação (ver Figura ). O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta sendo imlpementado, geralmente, por softwares gerenciais (MIS). O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 93/166 dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem: Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART. Os tipos de equipamentos que cada uma destas classes agrupam podem ser vistos na Figura a seguir. Analytical SLCs, Temp. Controllers Control Valves Process Sensors DCSs PCs, PLCs Operator Interfaces Drives Motion Controllers Switches, Sensors, Valves Motor starters Push buttons Fieldbus Sensorbus Devicebus PRODUCT GROUPING Grupos de produtos por classe de rede. Origem de algumas tecnologias: A origem das tecnologias tem, neste caso, influência direta sobre a aplicabilidade atual destas redes. O PROFIBUS foi desenvolvido na universidade de Karlsruhe com o fim de atender o mercado de controle de processos, como o próprio nome reflete: PROcess FIeld BUS. A organização PROFIBUS ajudou muito seu desenvolvimento e aceitação no mercado. A DeviceNet tem como fundamento a rede CAN, desenvolvida pela BOSCH para automação de veículos. O protocolo foi adotado na Europa – onde até hoje tem boa aceitação – para automação de máquinas onde até hoje tem boa popularidade. No entanto, pela falta de padronização nas camadas superiores do protocolo, sua aceitação ficou bastante restrita. O protocolo DeviceNet definiu as camadas superiores através da Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 94/166 associação ODVA. Logo a seguir criou-se a associação CIA (CAN In Automation ), de origem européia, que também definiu o protocolo de maneira completa. O uso do protocolo CAN na automação de carros desenvolveu-se mais lentamente, mas é hoje bastante usado na indústria automobilística. A aplicação automotiva caracteriza-se por um volume de dados relativamente baixo, distâncias muitos pequenas e necessidade de tempo de reação pequeno. O padrão AS-i começou a ser desenvolvido em 1990 por uma associação de fabricantes europeus, que se propôs a conceber uma rede de comunicação de baixo custo e que atendesse o nível mais baixo da automação no campo. O término dos trabalhos ocorreu em 1993. Posteriormente esse grupo foi desfeito e a tecnologia passou a ser administrada por uma Associação Internacional (AS - International). A rede AS-i é um sistema de sensores e atuadores de baixo nível. Normalmente os sinais dos sensores e atuadores dos processos industriais são transmitidos através de um grande número de cabos. O sistema ASI permite a simplificação desse sistema de fiação e ligação, substituindo o então sistema rígido de cabos por apenas um par de fios, que podem ser usados por todos sensores e atuadores. Eles são responsáveis pela alimentação dos sensores/atuadores e pela transmissão dos dados binários de entrada e saída. A rede foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e rápida a conexão dos sensores e atuadores com os seus respectivos controladores. Características de algumas redes: A velocidade e comprimento das redes estão, neste caso, ligados à tecnologia de controle de acesso ao meio. O protocolo PROFIBUS baseia-se em uma relação Mestre/Escravo , com capacidade multimestre via "token". Isso permite o uso do padrão físico RS-485 até a velocidade de 12Mbauds. O protocolo DeviceNet, ao adotar o padrão CAN fixou, também, sua interface física. Nessa interface e no controle de acesso ao meio CSMA/NBA ( Carrier Sense Multiple Access with Non-destructive Bitwise Arbitration ) residem todas as vantagens e desvantagens fundamentais que diferenciam os protocolos. O mecanismo de acesso CSMA/NBA baseia-se na colisão não destrutiva de dados, caso dois nós iniciem simultaneamente uma transmissão. Isso tem vantagens que serão comentadas posteriormente, mas limita de forma definitiva a velocidade bruta da rede. É usado para detectar colisões sem necessidade de retransmissão, mas impõe limitações elétricas nos "drivers" da linha de transmissão, fazendo com que eles atuem mais lentamente nas transições de bit. O resultado é que velocidades máximas são Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 95/166 limitadas na DEVICENET em 0,5 Mbaud, em comprimentos muito menores que o PROFIBUS. A rede ASI permite o uso de múltiplos tipos de topologias de rede permitindo, ainda, que a qualquer momento possa se iniciar uma nova derivação, possibilitando a inclusão de novos sensores e atuadores. Cada usuário pode escolher sua topologia conforme a necessidade e disposição física dos elementos no campo. O cabo da rede não necessita de resistor de terminação. Sua única limitação está relacionada com o comprimento do fio, que deve possuir cem metros. Caso necessário, o cabo pode ter um acréscimo de duzentos metros com a utilização de repetidores (boosters) ficando, assim, com um comprimento total de trezentos metros. Os tipos de topologia mais utilizados são as seguintes: topologia em estrela (star), topologia em linha (line), topologia em árvore (tree) e em anel (ring). Número de nós O número máximo de nós da rede no caso PROFIBUS está limitado a 127 no total e a 32 em cada segmento. A limitação de 32 está relacionada ao padrão RS-485 e o número 127 ao endereçamento lógico do protocolo. A interligação dos segmentos que perfazem o número de 127 nós pode ser feita por repetidores no padrão elétrico ou ótico. Não há limite prático para o número de segmentos óticos. O número máximo de nós da rede no caso DeviceNet está limitado a 64, em um segmento único. A limitação está relacionada ao padrão CAN. O sistema AS-i baseia-se numa comunicação mestre-escravo, cujo mestre é responsável pelo direcionamento das "perguntas" e tratamento das "respostas" dos escravos. O mestre pode gerenciar até trinta e um escravos. A comunicação entre o mestre e os escravos é feita serialmente através de um par de fios não trançados e nem blindados. Inicialmente o mestre "fala" com o primeiro escravo, atualiza as saídas do mesmo (se existir) e pergunta o estado binário das entradas. Imediatamente o escravo responde e, após um pequeno delay, o mestre "fala" com o próximo escravo. Após o escravo trinta e um, o ciclo se completa e o mestre começa a conversar novamente com o escravo numero um. O ciclo de varredura completo tem duração de até 5ms (contendo 31 escravos na rede). Um escravo caracteriza-se por possuir um chip (Asic - Application Specific Integrated Circuit) especialmente desenvolvido e que possui quatro bits que podem ser configurados como entrada ou saída. Esse chip também é responsável por determinar o endereço de cada escravo. O procedimento de endereçamento dos escravos é feito através de unidade de endereçamento. Os sensores, ou atuadores "burros", ou seja, que não são considerados escravos (não possuem o chip) podem ser conectados à rede através de módulos de entrada e saída. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 98/166 AS-i A organização que promove a rede AS-i é a AS-i – International. Fazem parte dessa associação sessenta e cinco membros, situados em nove países. Os nove países que possuem fabricantes de produtos com tecnologia ASI são os seguintes: Bélgica, Franca, Alemanha, Inglaterra, Itália, Japão, Holanda, Suíça e Estados Unidos. Esta associação é responsável por determinar os critérios de padronização das especificações técnicas e testes dos produtos, juntamente com a divulgação e o marketing da tecnologia. Atualmente existem cerca de duzentos (200) produtos com tecnologia ASI no mercado. Seu site é www.as- interface.com. A interface AS-I é a mais simples solução em redes para atuadores e sensores em sistemas de manufatura. É uma tecnologia aberta suportada por mais de 100 fabricantes em todo o mundo, o que garante as mais indicadas soluções, além de suporte global e liberdade de escolha entre produtos e fabricantes que melhor atendam as necessidades. Uma rede AS-i oferece uma eficiente alternativa ao cabeamento convencional no mais baixo nível hierárquico da automação. Pode, também, ser interligada com os níveis mais altos em fieldbus para implementação de dispositivos I/O de baixo custo. Encarecimentos contínuos alargaram as aplicações e hoje a interface AS-i é provida por centenas de milhares de produtos e aplicações no espectro da automação. O Foudation Fieldbus O Foudation Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional (Figura ) que permite a interligação em rede de múltiplos instrumentos diretamente no campo realizando funções de controle e monitoração de processo e estações de operação (IHM) através de softwares supervisórios A seguir estaremos analisando os detalhes de projeto utilizando-se o protocolo FIELDBUS elaborado pela Fieldbus Foundation e normalizado pela ISA-The International Society for Measurement and Control para automação de Plantas de Processos. TWO WAY COMMUNICATION DPT + PID FCV TT PT OPERATION STATION MAINTENANCE TOOL Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 99/166 O nível físico IEC – 61158 – 2 No estudo do nível físico estaremos analisando os tipos de ligações possíveis (fiação, cabos coaxiais, ótico ou rádio), conexões, terminadores, características eletricas, etc... especificados pela FIELDBUS FOUNDATION PHYSICAL LAYER PROFILE SPECIFICATION, Document FF-94-816, August 28,1995. Como complementação de bibliografia, as informações contidas neste curso estão baseadas nos seguintes documentos publicados pela ISA - The International Society for Measurement and Control- pela Fieldbus Foundation e pela IEC – The Electrotechinical Commission : IEC 1158-2 : 1993, Feldbus Standard for use in Industrial Control Systems - Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition. ISA - S50.02 - 1992, Fieldbus Standard for use in Industrial Control Systems - Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition. ISA - dS50.02-1995-544A, Fieldbus (draft) Standard for use in Industrial Control Systems - Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition, Amendment to Cluse 24 (Formerly Clause 11) Fieldbus Preliminary Application Note on Intrinsic Safety,Revision 1.1, 21 September 1995. ISA/SP50-1993-466C - Fieldbus Standard for use in Industrial Control Systems, Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition, Amendment 1 : Radio Medium - Proposed Clauses 18,19&20-1993 ISA/SP50-1993-477 - TR1 : Technical Report for Low Speed Radio Medium Physical Layer Fieldbus-1993. ISA/SP50-1994-517A - Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems, Part 7: Fieldbus Management, Clause 1: Introduction, Scope, Definitions, Reference Model- 1994 ISA/SP50-1995-518A - Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems, Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition, Amendment X: Medium Attachment Unit (MAU) Current Mode (1 Ampere),Wire Medium-1995 IEC 65C/178/CDU – IEC 61158-3 – Data Link Layer – DLL Service Part 3 IEC 65C/179/CDU – IEC 61158-4 – Data Link Layer – DLL Protocol Part 4 A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de Maio de 1994 - “Fieldbus Standard for Use in Industrial Control Systems Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition” trata do meio físico para a realização das interligações os principais ítens são: transmissão de dados somente digital self-clocking Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 100/166 comunicação bi-direcional código Manchester modulação de voltagem (acoplamento paralelo) velocidades de transmissão de 31,25 kb/s, 100 Mb/s barramento sem energia, não intrinsecamente seguro barramento com energia, não intrinsecamente seguro barramento sem energia, intrinsecamente seguro barramento com energia, intrinsecamente seguro Regras Na velocidade de 31,25 kb/s a norma determina, dentre outras, as seguintes regras: 1. um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes números de equipamentos: • entre 2 e 32 instrumentos numa ligação sem segurança intríseca e alimentação separada da fiação de comunicação; • entre 2 a 6 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação com segurança intrínseca; • entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação sem segurança intrínseca. Obs.: Esta regra não impede a ligação de mais instrumentos do que o especificado, estes números foram alcançados levando-se em consideração o consumo de 9 mA +/- 1 mA, com tensão de alimentação de 24 VDC e barreiras de segurança intrínseca com 11 a 21 VDC de saída e 80 mA máximos de corrente para os instrumentos localizados na área perigosa. 2. um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de 31,25 kb/s não deve ter entre a soma dos trechos do trunk e de todos os spurs um comprimento maior que 1.900 m (ver Figura ); Obs.: esta regra não impede o uso de comprimentos maiores desde que sejam respeitadas as características elétricas dos equipamentos. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 103/166 Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s obedecerá os requisitos da norma ISA-S50.02 quando energizada por uma fonte com as seguintes especificações: A tensão de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente seguras será no máximo de 32 V DC incluindo o ripple; A impedância de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente seguras será ≥ 3 KΩ dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à 39 KHz). Este requisito não é aplicado dentro dos 10 ms da conexão nem na remoção de um equipamento do campo; • A impedância de saída de uma fonte de alimentação intrinsecamente segura será ≥ 400 KΩ dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à 39 KHz); Os requisitos de isolação do circuito de sinal e do circuito de distribuição de energia em relação ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a IEC 61158-2 (1993). Barramento de comunicação energizado Isolação elétrica Todos os equipamentos FIELDBUS que usam fios condutores, seja na energização separada ou na energização através dos condutores de sinal de comunicação, deverão fornecer isolação para baixas frequências entre o terra, o cabo do barramento e o equipamento. Isto deve ser feito pela isolação de todo o equipamento do terra ou pelo uso de um transformador, opto-acoplador, ou qualquer outro componente isolador entre o “trunk” e o equipamento. Uma fonte de alimentação combinada com um elemento de comunicação não necessitará de isolação elétrica. Para cabos blindados, a impedância de isolação medida entre a blindagem do cabo FIELDBUS e o terra do equipamento FIELDBUS deverá ser maior que 250 K em todas as frequências abaixo de 63 Hz. AAA 1 Power to BUS T Single Twisted Pair (Terminator) Field Devices and Control Devices Simple Fieldbus Topology Representation T (Terminator) I/O Multi-conductor Cable (Only one pair required) Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 104/166 A máxima capacitância não balanceada para o terra de ambos terminais de entrada de um equipamento não deverá exceder 250 pF. Especificação do meio condutor Conectores para os cabos, se utilizados, poderão ser do tipo engate rápido ou conectores tradicionais. Terminações no campo, nao devem ser feitas diretamente nos terminais dos instrumentos e sim através de conectores em caixas de terminação. Cabos De acordo com os requisitos da norma ISA-S50.02, o cabo utilizado para ligar equipamentos FIELDBUS com o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s pode ser um simples par de fios trançados com a sua blindagem atendendo os seguintes requisitos mínimos (a 25 ºC): • Z0 em fr (31,25 KHz) = 100 Ω ± 20%; • Atenuação máxima em 1,25 fr (39 KHz) = 3.0 dB/Km; • Máxima capacitância não balanceada da blindagem = 2 nF/Km; • Resistência DC máxima (por condutor) = 22 Ω/Km; • Atraso máximo de propagação entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 µs/Km; • Área seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG); • Cobertura mínima da blindagem deverá ser maior ou igual a 90%. Para novas instalações devemos especificar cabos de par trançado com blindagem do tipo A, outros cabos podem ser usados mas respeitando as limitações da tabela abaixo como por exemplo os cabos múltiplos com pares trançados com uma blindagem geral (denominado cabo tipo B). O tipo de cabo de menos indicação é o cabo de par trançado simples ou multiplo sem qualquer blindagem (denominado cabo tipo C). O tipo de cabo de menor indicação é o cabo de múltiplos condutores sem pares trançados (denominado cabo tipo D) e blindagem geral. A seguir a tabela de especificações dos tipos de cabos (a 25 ºC): Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 105/166 Parâmetros Condições Tipo “A” Tipo “B” Tipo “C” Tipo “D” Impedância característica, Z0, Ω fr (31,25 KHz) 100 ± 20 100 ± 30 ** ** Resistência DC máxima, Ω/km por condutor 22 56 132 20 Atenuação máxima, dB/km 1,25 fr (39 kHz) 3.0 5.0 8.0 8.0 Área seccional nominal do condutor (bitola), mm2 0.8 (#18 AWG) 0.32 (#22 AWG) 0.13 (#26 AWG) 1.25 (#16 AWG) Capacitância máx. não balanceada, pF 1 metro de comprimento 2 2 ** ** ** não especificado Observações: Outros tipos de cabo que atendam ou suplantem as especificações podem ser utilizados. Cabos com especificações melhoradas podem habilitar barramentos com comprimentos maiores e/ou com imunidade superior à interferência. Reciprocamente, cabos com especificações inferiores podem provocar limitações de comprimento para ambos, barramentos (trunk) e derivações (spurs) mais nao sao aceitos cabos que não atendam a conformidade com os requisitos RFI/EMI. Para aplicações de segurança intrínseca, a razão indutância/resistência (L/R) deve ser menor que o limite especificado pela agência regulamentadora local. Trunk Junction box Spurs Cable Length = Trunk Lenght + All Spur Lengths Maximum Length = 1900 metres with “Type A”Cable CONTROL ROOM EQUIPMENT FOUNDATION TECHNOLOGY 31.25 kbit/s FIELDBUS WIRING COMMUNICATION “STACK” USER LAYER PHYSICAL LAYER Cabos utilizados no FIELDBUS Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 108/166 O vazamento de corrente direta pelo terminador não deve exceder 100 µA. O terminador deve ser não polarizado. Todos os terminadores usados em aplicações intrinsecamente seguras devem atender as necessidades de isolação e distanciamento (necessárias para a aprovação I.S.). É aceito para as funções de fonte de alimentação, barreiras de segurança e terminadores a combinação de várias maneiras (desde que a impedância equivalente atenda os requisitos da norma ISA-S50.02). Esquema da linha de transmissão balanceada Regras de Blindagem Para atender os requisitos de imunidade a ruídos é necessário assegurar a continuidade da blindagem através do cabeamento, conectores e acopladores, atendendo as seguintes regras: A cobertura da blindagem do cabo deverá ser maior do que 90% do comprimento total do cabo; A blindagem deverá cobrir completamente os circuitos elétricos através também dos conectores, acopladores e splices. Nota: O não atendimento das regras de blindagem pode degradar a imunidade a ruído. Regras de Aterramento O aterramento para um sistema FOUNDATION FIELDBUS deve estar permanentemente conectado à terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade suficiente de condução de corrente para prevenir picos de voltagem, os quais poderão resultar em perigo aos equipamentos conectados ou pessoas, a linha comum (zero volts) pode ser conectada à terra onde eles são galvanicamente isolados do barramento FIELDBUS. Signal Isolation Circuit Fieldbus Power Suply 20 V Nom + - 100 Ω 1 µF 100 Ω 1 µF Near-End Terminator Far-End Terminator Field Devices 1900M Max. Schematic Representation of Balanced Transmission Line Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 109/166 Equipamentos FIELDBUS devem funcionar com o ponto central de um terminador ou de um acoplador indutivo conectado diretamente para a terra. Equipamentos FIELDBUS não podem conectar nenhum condutor do par trançado ao terra em nenhum ponto da rede. Sinais podem ser aplicados e preservados diferencialmente através da rede. É uma prática padrão para uma blindagem de um cabo do barramento FIELDBUS (se aplicável) ser efetivamente aterrado em um ponto único ao longo do comprimento do cabo. Por esta razão equipamentos FIELDBUS devem ter isolação DC da blindagem do cabo ao terra. É também uma prática padrão conectar os condutores de sinal ao terra de forma balanceada ao mesmo ponto, por exemplo, usando o tap central de um terminador ou um transformador acoplador. Para sistemas com barramento energizado, o aterramento da blindagem e dos condutores de sinal deverão estar pertos da fonte de alimentação. Para sistemas intrinsecamente seguros o aterramento deverá ser na conexão de terra da barreira de segurança. Segurança Intrínseca As barreiras de segurança intrínsecas devem ter impedância maior do que 400 Ω em qualquer frequência no intervalo de 7,8 KHz a 39 KHz, essa especificação vale para barreiras de segurança intrínsecas do tipo equipamento separado ou incorporadas internamente em fontes de alimentação. Dentro do intervalo de voltagem de funcionamento da barreira de segurança intrínseca (dentro do intervalo 7,8-39 KHz) a capacitância medida do terminal positivo (lado perigoso) para a terra não deverá ser maior do que 250 pF da capacitância medida do terminal negativo (lado perigoso) para a terra. Uma barreira de segurança intrínseca não deverá estar separada do terminador por mais de 100 m. A barreira pode apresentar uma impedância de 400 Ω na frequência de trabalho e a resistência do terminador deve ser suficientemente baixa para que quando colocada em paralelo com a impedância da barreira, a impedância equivalente deverá ser inteiramente resistiva. Segurança Intrínseca BUS TERMINATOR Inside Junction Box TERMINATOR INTRINSIC SAFETY BARRIER HAZARDOUS AREA Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 110/166 Benefícios do Fieldbus Os benefícios da tecnologia FIELDBUS podem ser divididos em melhoria e maior quantidade de informações de controle e não de controle e benefícios econômicos. Benefícios na obtenção de informação Nos sistemas de automação tradicionais, o volume de informações disponíveis ao usuário não ia muito além daquele destinado às informações de controle. Nos sistemas FIELDBUS, o volume de informações extra controle é bem maior devido às facilidades atribuídas principalmente à comunicação digital entre os equipamentos. Comparação do volume de informações entre os dois sistemas Benefícios econômicos • Baixos custos de implantação: • Engenharia de detalhamento • Mão de obra/materiais de montagens • Equipamentos do sistema supervisório • Configuração do sistema • Obras civil • Ar condicionado • Baixos custos no acréscimo de novas malhas • Instalação apenas de novos instrumentos no campo FIELDBUS BENEFITS INCREASED PROCESS INFORMATION TRADITIONAL AUTOMATION SYSTEMS FIELDBUS-BASED AUTOMATION SYSTEMS YESTERDAY TODAY NON-CONTROL INFORMATION CONTROL INFORMATION Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 113/166 Análise dos documentos a) Revisão de Fluxogramas de engenharia A revisão dos fluxogramas, para ambas as tecnologias, SDCD e FIELDBUS serão parecidas, sendo que para o FIELDBUS, a inteligencia de controle estará localizada no campo. FIELDBUS BENEFITS REDUCTION IN SYSTEM HARDWARE DCS FCS TRADITIONAL FIELDBUS FIELDBUS CONTROL IN THE FIELD DEVICES CONTROLLER I/O SUBSYSTEM Redução no hardware com a implementação de transmissores "inteligentes" b) Diagrama de malhas Na tecnologia FIELDBUS haverá uma redução de trabalhos, na elaboração dos diagramas de malhas, pois serão apresentados, para cada malha, apenas a configuração de controle dos elementos de campo, pois a fiação será muito simples, não necessitando apresentar o bifilar das malhas, que estará sendo representado em documento do software de configuração contendo todas as malhas. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 114/166 POWER SUPPLY + - 1 - 5 V 1 - 5 V 250 Ω 250 Ω 4 - 20 mA Field Indicator (Optional) Field Device To DCS, Recorder, etc. To second Control Room Device (Optional) Schematic Representation of an Analog Loop Representação esquemática de um loop analógico para sistemas convencionais. c) Diagrama Funcional Este documento não sofrerá alterações. d) Diagrama Lógico Este documento não sofrerá alterações. e) Base de Dados de configuração de controle e supervisão Haverá praticamente o mesmo volume de trabalho. f) Planta de instrumentação Na tecnologia FIELDBUS haverá uma grande redução de trabalhos, na elaboração deste documento, devido principalmente, ao encaminhamento de cabos e bandejas, pois, serão necessários poucos recursos mecânicos, devido a baixa utilização de cabos de interligação, principalmente com a sala de controle. g) Detalhes típicos de instalação Este documento não sofrerá alterações. h) Arranjos de painéis Na tecnologia FIELDBUS não serão gerados estes documentos. i) Diagrama de interligação de painéis Na tecnologia FIELDBUS não serão gerados estes documentos. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 115/166 j) Diagrama de alimentação Esse documento no caso do FIELDBUS, será muito simples, pois a alimentação é por lotes de instrumentos e não individualmente. k) Arranjo de armários Caso exista este documento para o FIELDBUS, ele será muito simples, pois normalmente não haverá necessidade deste documento. l) Lista de Cabos No caso do FIELDBUS, essa lista, dependendo da planta, pode ser até 10% da lista comparativa com o sistema SDCD. m) Folhas de especificação. Na tecnologia FIELDBUS haverá uma redução nessas folhas de especificação, pois a inteligência está localizada nos elementos de campo, e não nos elementos de controle na sala de controle. n) Lista de Material Como haverá uma redução dos componentes de um projeto na tecnologia FIELDBUS, consequentemente a lista de material será menor.Detalhando um projeto FIELDBUS Várias topologias podem ser aplicadas em projetos Fieldbus. De forma a simplificar e tornar mais claro os gráficos, as fontes de alimentação e os terminadores foram omitidos destes. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 118/166 Instalação de um sistema foundation NUMBER OF ELEMENTS MAX. SPUR LENGTH (m) 25-32 19-24 15-18 13-14 01-12 0 30 60 90 120 BUS TOTAL LENGTH (TRUNK + SPURS) <1900m Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 119/166 13 Arquitetura de Redes TCP/IP No mundo de hoje, não se pode falar de redes sem falar do TCP/IP. O conjunto de protocolos originalmente desenvolvido pela Universidade da Califórnia em Berkeley, sob contrato para o Departamento de Defesa dos EUA, se tornou o conjunto de protocolos bancados por pesos pesados da indústria, como a IBM (SNA), Microsoft (NetBIOS/NetBEUI) e Novell (IPX/SPX). O grande motivo de todo esse sucesso foi justamente o fato do TCP/IP não ter nenhuma grande empresa associada ao seu desenvolvimento. Isto possibilitou a sua implementação e utilização por diversas aplicações em praticamente todos os tipos de hardware e sistemas operacionais existentes. Cronologia do pacote TCP – IP Mesmo antes do Boom da internet o TCP/IP já era o protocolo obrigatório para grandes redes formadas por produtos de muitos fornecedores diferentes, e havia sido escolhido pela Microsoft como o protocolo preferencial para o Windows NT, devido às limitações técnicas do seu próprio conjunto de protocolos, o NetBEUI. Entretanto, ao contrário dos protocolos proprietários para redes locais da Microsoft e da Novell, que foram desenhados para serem praticamente “plug and play”, as necessidades que orientam o desenvolvimento do TCP/IP obrigaram ao estabelecimento de uma série de parametrizações e configurações que devem ser conhecidas pelo profissional envolvido com instalação, administração e suporte de redes. 1965 1970 1980 1985 APANET commissioned by DOD 1969 1975 Telnet 1972 FTP 1973 TCP 1974 IP 1981 TCP/IP Protocol Suite 1982 DNS 1984 Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 120/166 As pilhas de protocolos Quem já estudou mais a fundo a documentação de produtos de redes ou participou de cursos mais específicos certamente se deparou com o “modelo OSI de 7 Camadas”.Todos os softwares de redes são baseados em alguma arquitetura de camadas, e normalmente nos referimos a um grupo de protocolos criado para funcionar em conjunto com uma pilha de protocolos (em Inglês, protocol stack, por exemplo, the TCP/IP stack).O termo “pilha” é utilizado porque os protocolos de uma dada camada normalmente interagem somente com os protocolos das camadas imediatamente superior e inferior. Entretanto, o modelo OSI é um modelo conceitual, e não a arquitetura de uma implementação real de protocolos de redes.Mesmo os protocolos definidos como padrão oficial pelo ISO –International Standards Organization – a entidade criadora do modelo OSI, não foram projetados e construídos segundo este modelo. O importante é entender o conceito de pilhas de protocolo, pelo qual cada camada realiza uma das funções necessárias para comunicação em rede, tornando possível a comunicação em redes de computadores utilizando várias tecnologias diferentes. O modelo de pilha de 4 camadas do TCP/IP O TCP/IP foi desenhado segundo uma arquitetura de pilha, onde diversas camadas de software interagem somente com as camadas acima e abaixo. Há diversas semelhanças com o modelo OSI da ISO, mas o TCP/IP é anterior à formalização deste modelo e, portanto possui algumas diferenças. O nome TCP/IP vem dos nomes dos protocolos mais utilizados desta pilha, o IP (Internet Protocol) e o TCP (Transmission Control Protocol). Mas a pilha TCP/IP possui ainda muitos outros protocolos, dos quais veremos apenas os mais importantes, vários deles necessários para que o TCP e o IP desempenhem corretamente as suas funções. Visto superficialmente, O TCP/IP possui 4 camadas, desde a aplicações de rede até o meio físico que carregam os sinais elétricos até o seu destino. Além das camadas propriamente ditas, temos uma série de componentes, que realizam a interface entre as camadas: Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 123/166 manualmente. Mas, para entender o porque da necessidade do DHCP, temos que entender um pouco mais do funcionamento e da configuração de uma rede TCP/IP. Serviço DHCP Em uma rede TCP/IP, cada computador (ou melhor, cada placa de rede, caso o computador possua mais que uma) possui um endereço numérico formado por 4 octetos (4 bytes), geralmente escrito na forma w,x,y,z. Endereçamento IP Além deste endereço IP, cada computador possui uma máscara de rede (network mask ou subnet mask), que é um número do mesmo tipo mas com restrição de que ele deve começar por uma seqüência contínua de bits em 1, seguida por uma seqüência contínua de bits em zero. Ou seja, 11111111.11111111.00000000.00000000 (255.255.0.0), mas nunca um número como 11111111.11111111.00000111.00000000 (255.255.7.0). DHCP Database IP Address1 IP Address2 IP Address3 DHCP Database IP Address1 IP Address2 IP Address3 IP Address2 IP Address1 DHCP Server DHCP Client Non-DHCP Client DHCP Client Network ID Host ID 32 Bits w. x. y. z. 131.107.3.24Example: Class B Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 124/166 Máscara de rede A máscara de rede serve para quebrar um endereço IP em um endereço de rede e um endereço de host.Todos os computadores em uma mesma rede local (fisicamente falando, por exemplo, um mesmo barramento Ethernet) devem ter o mesmo endereço de rede, e cada um deve ter um endereço de host diferente. Tomando-se o endereço IP como um todo, cada computador em uma rede TCP/IP (inclusive em toda a Internet) possui um endereço IP único e exclusivo. O InterNIC controla todos os endereços IP em uso ou livres na Internet, para evitar duplicações, ele reserva certas faixas de endereços chamadas de endereços privativos para serem usados em redes que não irão se conectar diretamente na Internet. Classes de rede Bits Used for Subnet MaskAddressClass Dotted Decimal Notation tt i lo ed ec a t tio a on Class A Class B Class C lass lass lass 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 11111111 00000000 00000000 11111111 11111111 11111111 00000000 11111111 00000000 00000000 00000000 11111111 11111111 00000000 00000000 11111111 11111111 11111111 00000000 255.0.0.0 255.255.0.0 255.255.255.0 255.0.0.0 255.255.0.0 255.255.255.0 Class B Examplelass B Exa ple 16.200131.107. 0.0255.255. 131.107. w.x. IP Address Subnet Mask Network ID Host ID 16.200 y.z Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 125/166 Quando o IP recebe um pacote para ser enviado pela rede, ele quebra o endereço destino utilizado a máscara de rede do computador e compara o endereço de rede do destino com o endereço de rede dele mesmo. Se os endereços de rede forem iguais, isto significa que a mensagem será enviada para um outro computador na mesma rede local, então o pacote é repassado para o protocolo de enlace apropriado (em geral o Ethernet). Se os endereços forem diferentes, o IP envia o pacote para o default gateway, que é nada mais do que o equipamento que fornece a conexão da rede local com outras redes. Número de elementos permitidos de acordo com cada classe de rede Este equipamento pode ser um roteador dedicado ou pode ser um servidor com múltiplas placas de rede, e se encarrega de encaminhar o pacote para a rede local onde o endereço IP de destino está localizado. È importante que o endereço IP do default gateway esteja na mesma subnet que o da máquina a ser configurada, caso contrário ela não terá como enviar pacotes para o default gateway e assim só poderá se comunicar com outros hosts na mesma subnet. Resumindo um computador qualquer em uma rede TCP/IP deve ser configurado com pelo menos estes três parâmetros: o seu endereço IP exclusivo, a sua máscara de rede (que deve ser a mesma utilizada pelos demais computadores na mesma LAN) e o endereço IP do default gateway. Number of Networks u berN of et orksN 126126 16,38416,384 2,097,1522,097,152 Number of Hosts per Network u ber of ostsN H per et orkN 16,777,21416,777,214 65,53465,534 254254 Class Al ass Class Bl ass Class Cl ass Range of Network IDs (First Octet) ange ofR et ork I s N D (First ctet) 1 – 1261 – 126 128 – 191128 – 191 192 – 223192 – 223 Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 128/166 Notem que este exemplo considerou apenas a comunicação entre dois equipamentos, não entre dois programas. O nosso exemplo ficou apenas no nível de rede da pilha um pacote, e será responsabilidade dele decodificar e utilizar de alguma forma as informações contidas no pacote. TCP/IP, mas acima dela o processo é simples: o IP verifica que tipo de pacote foi recebido (TCP, UDP ou outro) e repassa o pacote para o protocolo apropriado. O protocolo de transporte irá então verificar o número de porta contido no pacote e qual programa está associado àquela porta. Este programa será notificado da chegada de Como testar uma rede TCP/IP Caso você venha a ter problemas de comunicação, todas as pilhas TCP/IP, independente de qual sistema operacional, trazem o utilitário ping para testar a conectividade entre dois hosts TCP/IP. Siga o seguinte procedimento: Ping 127.0.0.1. Este endereço IP é um loopback, ou seja, não vai para a rede, fica no computador que originou a mensagem. Se o ping acusar o recebimento da resposta, significa que a pilha TCP/IP está instalada e ativa no computador onde foi realizado o teste. (Somente a título de curiosidade, você pode usar o loopback do TCP/IP para desenvolver aplicaçãoes de rede em uma máquina standalone, sem nenhum tipo de conexão de rede disponível.) Resultado do comando ping 1. Ping meu_ip. Tendo comprovado que o TCP/IP está ativo na máquina origem, vamos enviar uma mensagem para ela mesmo, para verificar se a placa de rede (ou modem) está ativos no que diz respeito ao TCP/IP. Aqui você testa apenas o driver da sua placa de rede, não a placa em si nem os cabos da rede. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 129/166 2. Ping ip_na_minha_rede. Agora vamos testar a comunicação dentro da rede local onde o computador de origem está localizado. Garanta que o computador dono do ip_na_minha_rede está com o TCP/IP e a sua placa de rede ativos, sgundo os dois testes acima. Se não funcionar, você tem um problema de cabos ou em uma placa de rede, ou simplesmente as suas máscaras de rede e endereço IP estão incorretos. 3. Ping ip_do_default_gateway. Se a comunicação dentro da minha rede local está OK, temos que verificar se o default gateway da minha rede está no ar, pois todos os pacotes que saem da minha rede local passam por ele. 4. Ping ip_do_outro_lado. Digamos que o meu default gateway que está diretamente conectado na rede está no ar. Então eu dou um ping no endereço IP desta placa. Se o default gateway não estiver no ar. Então eu dou um ping no endereço IP desta placa. Se o default gateway não estiver diretamente conectado na rede destino, eu repito os passos (4) e (5) para cada equipamento que esteja no caminho entre origem e destino. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 130/166 14 Redes Wireless Introdução As redes locais sem fio (WLANs) constituem-se como uma alternativa às redes convencionais com fio, fornecendo as mesmas funcionalidades, mas de forma flexível, de fácil configuração e com boa conectividade em áreas prediais ou de campus. Dependendo da tecnologia utilizada, rádio freqüência ou infravermelho, e do receptor, as rede WLANs podem atingir distâncias de até 18 metros. Sendo assim, as WLANs combinam a mobilidade do usuário com a conectividade a velocidades elevadas de até 155 Mbps, em alguns casos. Como funcionam os WLANs Através da utilização portadoras de rádio ou infravermelho, as WLANs estabelecem a comunicação de dados entre os pontos da rede. Os dados são modulados na portadora de rádio e transmitidos através de ondas eletromagnéticas. Múltiplas portadoras de rádio podem coexistir num mesmo meio, sem que uma interfira na outra. Para extrair os dados, o receptor sintoniza numa freqüência específica e rejeita as outras portadoras de freqüências diferentes. Num ambiente típico o dispositivo transceptor (transmissor/receptor) ou ponto de acesso (access point) é conectado a uma rede local Ethernet convencional (com fio). Os pontos de acesso não apenas fornecem a comunicação com a rede convencional, como também intermediam o tráfego com os pontos de acesso vizinhos, num esquema de micro células com roaming semelhante a um sistema de telefonia celular. Um grupo de empresas está coordenando o desenvolvimento do protocolo IAPP (Inter-Access Point Protocol), cujo objetivo é garantir a a interoperabilidade entre fabricantes fornecendo suporte a roaming através das células. O protocolo IAPP define como os pontos de acesso se comunicarão através do backbone da rede, controlando os dados de várias estações móveis. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 133/166 Configuração Independente: Cada estação se comunica diretamente entre si, sem a necessidade de instalação de infraestrutura. A operação dessa rede é fácil , mas a desvantagem é que a área de cobertura é limitada. Estações com essa configuração estão no serviço BSS (Basic Service Set); Configuração de Infra-estrutura: Cada estação se comunica diretamente com o ponto de acesso que faz parte do sistema de distribuição. Um ponto de acesso serve as estações em um BSS e o conjunto de BSS é chamado de ESS (Extended Service Set). Além dos serviços acima descritos, o padrão ainda oferece as funcionalidades de roaming dentro de um ESS e gerenciamento de força elétrica (as estações podem desligar seus transceivers para economizar energia). O protocolo da subcamada MAC é o CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidence). Conclusões As redes locais sem fio já são uma realidade em vários ambientes de redes, principalmente nos que requerem mobilidade dos usuários. As aplicações são as mais diversas e abrangem desde aplicações médicas, por exemplo, visita a vários pacientes com sistema portátil de monitoramento, até ambientes de escritório ou de fábrica. Apesar das limitações de cobertura geográfica, utilizando-se a arquitetura de sistemas de distribuição, pode-se aumentar a abrangência da rede sem fio, fazendo uso de vários sistemas de distribuição interconectados via rede com fio, num esquema de roaming entre microcélulas, semelhante a um sistema de telefonia celular convencional. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 134/166 15 CLP Introdução O controlador programável, ou simplesmente CP, tem revolucionado os comandos e controles industriais desde o seu surgimento na década de 70. Antes do surgimento dos CP’s as tarefas de comando e controle de máquinas e processos industriais eram feitas por relés eletromagnéticos, especialmente projetados para este fim e que ainda hoje se parecem bastante com o dispositivo eletromecânico inventado por Samuel F. B. Morse em 1836. O primeiro CP surgiu na indústria automobilística, até então um usuário em potencial dos relés eletromagnéticos utilizados para controlar operações sequenciadas e repetitivas numa linha de montagem. Compunha-se de circuitos eletrônicos montados com componentes semi-condutores como transistores, Cis, etc. A normalização do Brasil para representar um Controlador Programável adota como sigla “CP” e define como sendo um equipamento digital com hardware e software compatíveis com aplicações industriais. Portanto é comum encontrarmos os termos PLC; CLP E CP referindo ao mesmo equipamento. Segundo a NEMA (National Eletrical Manufactures Association), um CP é definido como aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o armazenamento interno de instruções específicas, tais como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas e processos. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 135/166 Características Basicamente, um controlador programável apresenta as seguintes características: Hardware e/ou dispositivo de controle de fácil e rápida programação ou reprogramação, com a mínima interrupção na produção. Capacidade de operação em ambiente industrial sem o apoio de equipamentos ou hardware específicos. Sinalizadores de estado e módulos tipo plug-in de fácil manutenção e substituição. Hardware ocupando espaço reduzido e apresentando baixo consumo de energia. Possibilidade de monitoração do estado e operação do processo ou sistema, através da comunicação com computadores. Compatibilidade com diferentes tipos de sinais de entrada e saída. Capacidade de alimentar, de forma contínua ou chaveada, cargas que consomem correntes de até 2 A. Hardware de controle que permite a expansão dos diversos tipos de módulos, de acordo com a necessidade. Custo de compra e instalação competitivo em relação aos sistemas de controle convencionais. Possibilidade de expansão da capacidade de memória. Conexão com outros CP’s através de redes de comunicação EVOLUÇÃO DOS CLP’s Inicialmente projetados para substituirem os sistemas de controle por relés, os CPs limitavam-se a aplicações envolvendo máquinas e processos de operações repetitivas. Com o advento e a conseqüente evolução tecnológica dos microprocessadores, os CPs tiveram suas funções ampliadas, aumentando consideravelmente sua capacidade e flexibilidade operacionais. O que no seu surgimento era executado com componentes discretos, hoje se utiliza de microprocessadores e microcontroladores de última geração, usando técnicas de processamento paralelo, inteligência artificial, redes de comunicação, fieldbus, etc. A nível de software aplicativo, os controladores programáveis, podem se tornar compatíveis com a adoção da norma IEC 1131-3, que prevê a padronização da linguagem de programação e sua portabilidade, fato que nos dias de hoje parece ilusão. Os CP’s oferecem um considerável número de benefícios para aplicações industriais, que podem ressaltar em economia que excede o custo do CP e devem ser consideradas quando da seleção de um dispositivo de controle industrial. As vantagens de sua utilização, comparadas a outros dispositivos de controle industrial, incluem: Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 138/166 ESTRUTURA BÁSICA DE CLP’s A Estrutura básica de um controlador programável adveio do hardware básico de um computador. Podemos afirmar que um CP é um computador para aplicações específicas, pois utiliza a mesma unidade central de processamentos (UCP) de um computador comum, acrescida de uma fonte de alimentação com ótimas características de filtragem/estabilização, interface E/S imune a ruídos, e de um invólucro específico para aplicações industriais. O diagrama de blocos à seguir, ilustra a estrutura básica de um controlador programável. A Unidade Central de Processamento (UCP), é responsável pelo processamento do programa, isto é, coleta os dados dos cartões de entrada, efetua o processamento segundo o programa do usuário, armazenado na memória e envia o sinal para os cartões de saída como resposta do processamento. Quando se tratar de controladores programáveis (CPs), o termo processador será utilizado para identificar o hardware do qual a UCP faz parte. Quando se tratar de computadores, o termo UCP será utilizado para identificar o hardware do processador central. A operação simplificada de um CP pode ser representada pela estrutura abaixo TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU) FONTE DE ALIMENTAÇÃO MEMÓRIA INTERFACE DE I/O MÓDULO DE ENTRADA MÓDULO DE SAÍDA Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 139/166 Parte Função 1 Processador do CP efetuando a leitura contínua dos estados no módulo de entrada e a atualização da tabela imagem das entradas. 2 Processador do CP executando continuamente o programa lógico do usuário, baseado na tabela imagem das entradas. 3 Processador do CP atualizando continuamente a tabela imagem das saídas, baseado na solução do programa lógico do usuário. 4 Processador do CP ativando ou desativando continuamente os estados dos módulos de saída de acordo com a tabela imagem das saídas. o - 00 o - 01 o - 02 o - 03 o - 04 o - 05 o - 06 o - 07 IN o - 00 o - 01 o - 02 o - 03 o - 04 o - 05 o - 06 o - 07 OUT 1 0 1 Memóri a E N T R A D A S S A Í D A S IN IN OUT 04 Cartão de Saída Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 140/166 PROCESSADOR OU CPU A palavra processador ou CPU é utilizada para identificar a parte do controlador programável responsável pela execução de todas as suas funções. O processador ou CPU de um controlador programável assemelha-se à UCP de um computador quanto à concepção do hardware, pois ambos compõem-se de blocos funcionais similares. O processador tem a função de coletar os dados enviados pelos módulos de entrada assim como selecionar os dados previamente armazenados, efetuando o processamento dos mesmos de acordo com o programa do usuário. O resultado lógico destas operações (RLO) será posteriormente enviado para os módulos de saída. A figura à seguir mostra o diagrama funcional simplificado de um controlador programável Com exceção dos dispositivos periféricos, os sistemas representados acima parecem idênticos. A diferença entre um CP e um computador está na forma como o microprocessador (UCP) foi configurado e programado. Um controlador programável baseado no microprocessador 6800 tem o seu processador configurado para executar operações programadas em linguagem de alto nível, como a linguagem de contatos de relê. Um computador baseado no mesmo microprocessador terá a sua UCP configurada para executar operações programadas em basic, por exemplo. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 143/166 Após a execução desta rotina, a CPU passa a fazer uma varredura (ciclo) constante, isto é, uma leitura sequencial das instruções em loop (laço). Entrando no loop, o primeiro passo a ser executado é a leitura dos pontos de entrada. Com a leitura do último ponto, irá ocorrer, a transferência de todos os valores para a chamada memória ou tabela imagem das entradas. Após a gravação dos valores na tabela imagem, o processador inicia a execução do programa do usuário de acordo com as instruções armazenadas na memória. Terminando o processamento do programa, os valores obtidos neste processamento, serão transferidos para a chamada memória ou tabela imagem das saídas, como também a transferência de valores de outros operandos, como resultados aritméticos, contagens, etc. Ao término da atualização da tabela imagem, será feita a transferência dos valores da tabela imagem das saídas, para os cartões de saída, fechando o loop. Neste momento é iniciado um novo loop. Para verificação do funcionamento da CPU, é estipulado um tempo de processamento, cabendo a um circuito chamado de Watch Dog Timer, supervisioná-lo. Ocorrendo a ultrapassagem deste tempo máximo, o funcionamento da CPU, será interrompido, sendo assumido um estado de erro. O termo varredura ou scan, são usados para dar um nome a um ciclo completo de operação (loop). O tempo gasto para a execução do ciclo completo é chamado Tempo de Varredura, e depende do tamanho do programa do usuário, e a quantidade de pontos de entrada e saída. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 144/166 À seguir, temos o fluxograma de um processamento cíclico. SIMM NÃO NÃO LIMPEZA DE MEMÓRIA TESTE DE RAM OK START (PARTIDA) LEITURA DOS CARTÕES DE ENTRADA ATUALIZAÇÃO DA TABELA IMAGEM DAS ENTRADAS EXECUÇÃO DO PROGRAMA DO USUÁRIO ATUALIZAÇÃO DA TABELA IMAGEM DAS SAÍDAS TRANSFERÊNCIA DA TABELA IMAGEM PARA AS SAÍDAS TEMPO DE VARREDURA OK STOP (PARADA) SIM Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 145/166 Exercícios 1. Defina o que é um Controlador Programável. 2. Cite cinco aplicações para um controlador programável 3. Quais são as partes que constituem um controlador programável ? Desenhe um diagrama de blocos de suas partes constituintes. 4. Quais os quatro passos básicos realizados pelo processador (CPU) de um CLP, durante a execução de uma varredura? 5.O que é memória imagem das entradas e saídas de um controlador programável ? 6. Defina o que é: Processamento por evento e processamento cíclico. 7.O que é um circuito “watch-dog timer” cão-de-guarda em um controlador programável ? 8. Defina o conceito de varredura em controlador programável 9. Descreva o funcionamento de um CP através de um fluxograma. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 148/166 A ilustração à seguir mostra a configuração de cartões de entrada DC tipo “P” lógica positiva (com sensores NPN-sink) . MÓDULO DE ENTRADA COM LÓGICA POSITIVA Os sinais recebidos por um módulo de entrada podem vir de dois tioos de sensores: Discretos: chave limite botoeira chave de digitadora (thumbwheel) chave de pressão fotocélula contato de relê chave seletora teclado Analógico: transdutor de pressão transdutor de temperatura célula de carga (strain gage) sensores de vazão Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 149/166 transdutores de vibração transdutores de corrente transdutores de vácuo transdutores de força Módulos de Saída Os módulos de saída também são considerados como elementos de interface, pois permitem que o processador se comunique com o meio externo. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 150/166 A estrutura interna de um módulo de saída pode ser subdividida em sete blocos principais, relacionados a seguir. Parte Função Interface/multiplexação Recebe os sinais vindos do processador direcionando-os para as respectivas saídas. Memorizador de sinal Armazena os sinais que já foram multiplexados pelo bloco anterior. Isolação elétrica Proporciona isolação elétrica entre os sinais vindos do processador e os dispositivos de campo. Indicadores de estado de saídas .Proporciona indicação visual do estado funcional das saídas contidas num módulo de saída Estágio de potência Transforma os sinais lógicos de baixa potência vindos do processador em sinais de potência, capazes de operar os diversos tipos de dispositivos de campo Terminais para conexão dos dispositivos de campo Permite a conexão física entre CP e os dispositivos de campo. Dispositivos de campo Consiste em dispositivos eletromecânicos que atuam no processo/equipamento, em função dos sinais de controle enviados pelo CP. Classificação Dependendo da natureza dos dispositivos de campo e do tipo de sinal de controle necessário para comandá-los, podemos dispor dos seguintes tipos de módulos de saída: alternado (AC) digital analógico especial Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 153/166 SISTEMAS DE MEMÓRIA O sistema de memória é uma parte de vital importância no processador de um controlador programável, pois armazena todas as instruções assim como os dados necessários para executá-las. Existem diferentes tipos de sistemas de memória. A escolha de um determinado tipo depende: do tipo de informação a ser armazenada; da forma como a informação será processada pela UCP. As informações armazenadas num sistema de memória são chamadas palavras de memória, que são formadas sempre pelo mesmo número de bits. A capacidade de memória de um CP é definida em função do número de palavras de memória previstas para o sistema e pode ser representada por um mapa chamado mapa da memória. Tipos de memórias A arquitetura da memória de um controlador programável pode ser constituída por diferentes tipos de memória. Tipo de memória Descrição Observações RAM dinâmica estática memória de acesso randômico volátil gravada pelo usuário ROM memória somente para leitura não volátil não permite apagamento gravada pelo fabricante PROM memória programável somente de leitura não volátil não permite apagamento gravada pelo usuário EPROM memória programável/ apagável somente de leitura não volátil apagamento por ultravioleta gravada pelo usuário EEPROM E2PROM FLASH-EPROM memória programável/ apagável somente de leitura não volátil apagável eletricamente gravada pelo usuário Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 154/166 Arquitetura da memória de um CLP Independentemente dos tipos de memórias utilizadas, o mapa da memória de um controlador programável pode ser dividido em cinco áreas principais: Memória executiva Memória do sistema Memória de status dos módulos E/S (tabela imagem) Memória de dados Memória do usuário Memória executiva Descrição MEMÓRIA EXECUTIVA MEMÓRIA EXECUTIVA DO SISTEMA MEMÓRIA STATUS DE I/O MEMÓRIA DE DADOS MEMÓRIA DO USUÁRIO TERMINAL DE PROGRAMAÇÃO UNIDADE CENTRAL DE PROCESSAMENTO (CPU) FONTE DE ALIMENTAÇÃO MEMÓRIA INTERFACE DE I/O MÓDULO DE ENTRADA MÓDULO DE SAÍDA Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 155/166 É formada por memórias do tipo ROM ou PROM, pois o conteúdo das mesmas (sistema operacional) foi desenvolvido pelo fabricante do CP e portanto não deverá ser alterado pelo usuário. Função Armazenar o sistema operacional, o qual é responsável por todas as funções e operações que podem ser executadas por um CP Memória do sistema Descrição Esta área de memória é formada por memórias do tipo RAM, pois terá o seu conteúdo constantemente alterado pelo sistema operacional. Função Armazenar resultados e/ou informações intermediários, gerados pelo sistema operacional, quando necessário. Comentário Não pode ser alterada pelo usuário. Memória de status dos módulos E/S Descrição As memórias de status dos módulos E/S são do tipo RAM. A UCP, após ter efetuado a leitura dos estados de todas as entradas, armazenará essas informações na área denominada status das entradas ( ou imagem das entradas). Após o processamento dessas informações os resultados lógicos (RLO) serão armazenados na área denominada status das saídas (ou imagem das saídas) antes de serem enviados para as respectivas saídas. Função Armazenar o estado dos sinais de todas as entradas e saídas de cada módulo E/S. Processo À medida que o programa vai sendo executado, a UCP vai armazenado os resultados na área denominada status das saídas (tabela imagem das saídas), até o término da sequência de operações contidas no programa. Logo após, essas informações serão transferidas para as respectivas saídas. Comentário Podem ser monitoradas pelo usuário sendo que uma possível alteração só será permitida se contida no programa do usuário. Memória de dados Descrição As memórias de dados são do tipo RAM. Funções de temporarização, contagem ou aritméticas necessitam de uma área de memória para armazenamento de dados, como: valores pré-selecionados ou acumulados de contagem ou temporazição; Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 158/166 LINGUAGEM DE PROGRAMAÇÃO A execução de tarefas ou resolução de problemas com dispositivos microprocessados requerem a utilização de uma linguagem de programação, através da qual o usuário pode se comunicar com a máquina a fim de atingir esses objetivos. Classificação Podemos classificar as diversas linguagens utilizadas na programação de dispositivos microprocessados em dois grupos: Linguagem de baixo nível Linguagem de alto nível Linguagem de baixo nível A linguagem de máquina é considerada a de mais baixo nível, pois cada instrução é composta por combinações dos bits 0 e 1. A linguagem Assembly é considerada de baixo nível, apesar das instruções consistirem em vocábulos simbólicos (mneumônicos). Neste tipo de linguagem, cada instrução do programa fonte corresponde a uma única instrução do programa objeto. A linguagem de baixo nível apresenta - alguns inconvenientes no momento da sua utilização, pois requer do usuário conhecimento sobre a arquitetura do microprocessador. Linguagem de alto nível Uma linguagem de programação passa a ser de alto nível à medida que esta se aproxima da linguagem corrente utilizada na comunicação entre pessoas. Apresenta uma estrutura rígida devido às regras utilizadas no momento da elaboração do programa. Uma única instrução em linguagem de alto nível (programa fonte), corresponderá a várias instruções em linguagem de máquina (programa objeto). Como vantagens, temos: Não requer do usuário conhecimento sobre a arquitetura do microprocessador. Reduz o tempo gasto na elaboração de programas. Como desvantagens, temos: O número de instruções do programa objeto só será conhecido após a compilação do programa fonte. PROGRAMA FONTE (USUÁRIO) PROGRAMA MONTADOR (COMPILADOR) PROGRAMA OBJETO (LNG. MÁQUINA) MICRO- PROCESSADOR Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 159/166 Os controladores programáveis utilizam linguagens de alto nível para a sua programação. À seguir, temos alguns exemplos de utilização das linguagens de programação em função da aplicação. NOME DA LINGUAGEM USO FORTRAN Aplicações técnico-científicas COBOL Aplicações comerciais PASCAL Uso geral BASIC Uso geral STEP 5 Programação de CP SIEMENS/MAXITEC AL3800 Programação de CP ALTUS AL3830 Programação de CP ALTUS MASTER TOOL Programação de CP ALTUS PGM Programação de CP SISTEMA SPW Programação de CP WEG IPDS Programação de CP ALLEN-BRADLEY SUCOS 3 Programação de CP KCLOKNER Linguagens de programação de CLP’s Normalmente podemos programar um controlador programável através de um software que possibilita a sua apresentação ao usuário em três formas diferentes: Diagrama de contatos; Diagrama de blocos lógicos; Lista de instruções Alguns CP’s, possibilitam a apresentação do programa do usuário em uma ou mais formas. DIAGRAMA DE CONTATOS Esta forma de programação, também é conhecida como: Diagrama de relés; diagrama escada ou diagrama “ladder”. Esta forma gráfica de apresentação está muito próxima a normalmente usada em diagrama elétricos. Redes de Automação – Treinamento Petrobras SENAI-SP 160/166 DIAGRAMA DE BLOCOS LÓGICOS Mesma linguagem utilizada em lógica digital, onde sua representação gráfica é feita através das chamadas portas lógicas. LISTA DE INSTRUÇÃO Linguagem semelhante à utilizada na elaboração de programas para computadores. : A I 1.5 : A I 1.6 : O : A I 1.4 : A I 1.3 : = Q 3.0 Análise da programação quanto aspectos específicos Com o objetivo de ajudar na escolha de um sistema que melhor se adapte as necessidades de cada usuário, pode-se analisar as características das linguagens de programação disponíveis de CLP’s. Esta análise se deterá nos seguintes pontos: quanto a forma de programação; quanto a forma de representação; documentação; conjunto de instruções. Quanto a forma de programação >=1 S1 & E3 E4 & E1 E2 E2 E1 ( ) E3 S1 E4