Rede Industrial Fieldbus ModBus · FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO Rede Industrial Fieldbus ModBus Redes Industriais Semestre 01/2014 Engenharia de Controle e Automação

FENG – ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO

Rede Industrial FieldbusModBusRedes Industriais Semestre 01/2014

Engenharia de Controle e Automação


Histórico do Fieldbus§ Fabricantes, na maioria americanos passaram a usar o MODBUS

da MODICON como padrão.

§ Na Europa, o PROFIBUS da SIEMENS é adotado como padrão.

§ O MODBUS e o PROFIBUS tornam-se abertos por acordos entre os fabricantes europeus.

§ Na década de 1980 a ISA reuniu uma comissão e criou o SP50 onde o interesse é criar um padrão único mundial. Barrado pelo interesse dos diversos fabricantes.

§ Em 1992, Fisher-Rosemount, YOKOGAWA e Siemens, 3 dos maiores fabricantes de CLP e com protocolos compatíveis do mercado criam o ISP (Interoperable Systems Project).


Histórico do Fieldbus

§ Também em 1992 a Honeywell, Allen-Bradley e outros (facção da SP50) criam o Worldfip com o mesmo objetivo do ISP.

§ Em 1993 o ISP e o Worldfip foram unificados para criar o Foundation Fieldbus (FF), um padrão que até hoje, apesar das inúmeras aplicações e dos vários fabricantes, está por ser totalmente definido e testado.


Definição do Fieldbus

§ Fieldbus são sistemas padronizados, mas não unificados, largamente utilizados em automação industrial

§ Padronizados pela IEC 61158 e 61784

§ Definição:§ Sistema de comunicação industrial para controle distribuido em

tempo real§ Qualquer rede de comunicação aberta, digital e multidrop para

dispositivos de campo inteligentes


Definição do Fieldbus§ Rede multiponto digital para conectar dispositivos de campo e

controle a longa distância por apenas um barramento (dois fios), economizando cabeamento.

§ Em alguns casos permite fazer o controle no local da aquisição, e atuação dos processos, ou seja, no próprio sensor e atuador, minimizando os problemas de comunicação e falhas de equipamentos.


IEC 61158 (Fieldbus for use in industrial control systems)

§ IEC 61158-1: Parte 1 – Guia Introdutório

§ IEC 61158-2: Parte 2 – Especificação da Camada Física

§ IEC 61158-3: Parte 3 – Definição do serviço da camada de enlace

§ • IEC 61158-4: Parte 4 – Especificação do protocolo da camada de enlace

§ • IEC 61158-5: Parte 5 – Definição do serviço da camada de Aplicação

§ • IEC 61158-6: Parte 6 – Especificação do protocolo de Aplicação


IEC 61158 (1999 – 2008)

§ Tipos de Fieldbus:§ Tipo 1 - Foundation fieldbus H1 & H2 § Tipo 2 – ControlNet§ Tipo 3- Profibus- DP, PA§ Tipo 4 - P-Net§ Tipo 5- Foundation fieldbus HSE§ Tipo 6 – Swiftnet§ Tipo 7 – WorldFIP§ Tipo 8 - Interbus-S


IEC 61158 (Atualização em 2008)

§ Atualização em 2008§ Adição de outros tipos de Fieldbus§ Remoção do Swiftnet§ Reorganização em “Communication Profile Families” (CPF)

§ 79 tecnologias de comunicação§ 15 Perfis de Familias de Comunicação (CPF)

§ IEC 61158 – Industrial Communication Networks – Especificação do Fieldbus

§ IEC 61784 – Industrial Communication Networks – Perfis


Familias de Perfis Fieldbus§ CPF Numero 1 –

§ FOUNDATION Fieldbus H1, H2, HSE

§ CPF Numero 2 – CIP§ ControlNet, EtherNet/IP,

DeviceNet

§ CPF Numero 3 –§ Profibus DP, PA, Profinet

§ CPF Numero 4 – P-NET§ P-NET RS-485, P-NET

RS-232, P-NET on IP

§ CPF Numero 5 –§ WorldFIP 3

§ CPF Numero 6 –§ InterBus

§ CPF Numero 8 –§ CC-Link 3 types

§ CPF Numero 9 –§ HART

§ CPF Numero 10 § Vnet/IP

§ • CPF Numero 11 –§ TCnet 2 types

§ CPF Numero 12§ EtherCat

§ CPF Numero 13§ Ethernet Powerlink

§ CPF Numero 14 –§ EPA

§ • CPF Numero 15 –§ MODBUS-RTPS MODBUS-

RTPSMODBUS TCP

§ • CPF Numero 16 –§ SERCOS Types I, II, and III


Mercado Atual

§ As posições de liderança neste dominio de atuação, referente ao numero de nós de Fieldbus instalados, tem como principais configurações:

§ PROFIBUS§ INTERBUS§ DEVICENET


Velocidade x Tecnologia


Categorias dos Fieldbuses

§ Fieldbuses podem ser agrupados em categorias, dependendo da tecnologia que utilizam, tipo de dispositivos e aplicações para as quais foram projetoadas:

§ Sensor Bus

§ Device Buas

§ Serial Fieldbus

§ Ethernet-based Fieldbus


Categorias dos Fieldbuses


Exemplos - Caracteristicas


Fatores na escolha de Fieldbuses

§ Custo Inicial de Aquisição

§ Custo de Instalação

§ Custo de Manutenção

§ Compatibilidade com sistemas legados (CLPs e dispostivos existentes)

§ Funcionalidades suportadas

§ Performance (velocidade e tempo de ciclos)

§ Adequação ao ambiente operacional

§ Reutilização de cabos existentes


Configuração Hierarquica

§ Uma aplicação típica pode implicar em um numero diferentes de fieldbuses, em uma configuração hierarquica:


Device Bus - ModBus

§ Um dos primeiros protocolos a se difundirem no meio industrial foi o Modbus RTU. Desenvolvido pela Modicon em 1979, e em pouco tempo foi largamente usado para a comunicação entre diferentes CLPs, tornando-se domínio público, portanto, protocolo aberto.


Características Técnicas

§ O modbus utiliza o RS-232, RS422, RS-485 ou Ethernet como meio físico. O mecanismo de controle de acesso é do tipo mestre-escravo ou Cliente-Servidor. A estação mestre (geralmente um PLC) envia mensagens solicitando dos escravos que enviem os dados lidos pela instrumentação ou envia sinais a serem escritos nas saídas para o controle dos atuadores. O protocolo possui comandos para envio de dados discretos (entradas e saídas digitais) ou numéricos (entradas e saídas analógicas).



§ A imagem acima mostra um exemplo de rede Modbus com um mestre (PLC) e três escravos (módulos de entradas e saídas, ou simplesmente E/S). Em cada ciclo de comunicação, o PLC lê e escreve valores em cada um dos escravos. Como o sistema de controle de acesso é do tipo mestre-escravo, nenhum dos módulos escravos inicia comunicação a não ser para responder às solicitações do mestre.

§ Basicamente, uma comunicação em Modbus obedece a um frame que contém o endereço do escravo, o comando a ser executado, uma quantidade variável de dados complementares e uma verificação de consistência de dados (CRC).



§ O nó mestre solicita um pedido MODBUS para os nós escravos em dois modos :§ No modo unicast, o mestre aborda um escravo individualmente. Depois de receber

e processar o pedido, o escravo retorna uma mensagem (a resposta) para o mestre.Nesse modo, uma transação MODBUS é composta de 2 mensagens: um pedido do mestre, e uma resposta do escravo.Cada escravo deve ter um único endereço de modo que pode ser feita independentemente de outros nós .



§ No modo de broadcast , o mestre pode enviar um pedido a todos os escravos.Nenhuma resposta é devolvida para transmitir os pedidos enviados pelo mestre. Os pedidos de transmissão são, necessariamente, a escrita de comandos . Todosdispositivos devem permitir a transmissão para a função de escrever. O endereço 0 é reservado para identificar a troca de transmissão.



§ Exemplo-1: Se o PLC precisa ler as 10 primeiras entradas analógicas (do endereço 0000 ao 0009) no nó 2 (equipamento cujo o endereço é 02). Para isso é preciso utilizar o comando de leitura de múltiplos registros analógicos (comando 3). O frame de comunicação utilizado é mostrado abaixo (os endereços são mostrados em sistema hexadecimal)

§ A resposta do escravo seria um frame semelhante composto das seguintes partes: O endereço do escravo, o número do comando, os dez valores solicitados e um verificador de erros (CRC). Em caso de erros de resposta (por exemplo um dos endereços solicitados não existe) o escravo responde com um código de erro.



§ Exemplo-2: Reposta da pergunta citada no exemplo-1.

§ O primeiro byte(02) é o nó do escravo; O segundo byte(03) é a função utilizada para leitura, sendo essa um Holding Register; O terceiro byte é a quantidade de endereços que o Slave (escravo) está enviando ao Master, sendo que a cada 2 bytes se forma uma Word que significa uma palavra de 16 bit, este frame tem 14 = 20 bytes que é = 10 word ou 10 palavras de 16 bits que tem seu range mínimo de -32768 ate 32767.

§ Com isso entendemos que o Slave (Escravo) respondeu 10 endereços a ao master e todos com o valor zero.


Comandos do Modbus

§ Para alguns comandos de diagnóstico, tais como reinício de comunicação, reset do módulo ou sincronização de relógio, podem

ser utilizados comunicações do tipo broadcast, ou seja, destinada a todos os escravos simultaneamente.


Variações do Modbus

§ Em redes seriais baseadas em RS-485 ou RS-232 o Modbus pode ter duas variações: RTU e ASCII.

§ Modbus RTU§ Neste modo os dados são transmitidos em formato binário de oito bits, permitindo a compactação dos dados em pequenos

pacotes. RTU é a sigla inglesa para Remote Terminal Unit. No modo RTU, os endereços e valores podem ser representados em formato binário. Números inteiros variando entre -32768 e 32767 podem ser representados por 2 bytes. O mesmo número precisaria de quatro caracteres ASCII para ser representado (em hexadecimal).

§ Modbus ASCII§ Transmite os dados codificados em caracteres ASCII de sete bits. Apesar de gerar mensagens legíveis por pessoas este

modo consome mais recursos da rede.

§ Modbus/TCP - Aqui os dados são encapsulados em formato binário em frames TCP para a utilização do meio físico Ethernet (IEEE 802.3). Quando o Modbus/TCP é utilizado, o mecanismo de controle de acesso é o CSMA-CD (Próprio da rede Ethernet) e as estações utilizam o modelo cliente-servidor.

§ Modbus Plus - Versão que possui vários recursos adicionais de roteamento, diagnóstico, endereçamento e consistência de dados. Esta versão ainda é mantida sob domínio da Schneider Electric e só pode ser implantada sob licença deste fabricante.


Modelo OSI Modbus RTU

Fonte: www.modbus.org


Literatura adicional

§ http://www.simplymodbus.ca/FAQ.htm#Modbus


GlosárioDefinition of particular words, symbols, and abbreviations used in this document.

§ 2W The Two-Wire configuration defined in the “Electrical Interface” chapter, or one of its interfaces.§ 4W The Four-Wire configuration defined in the “Electrical Interface” chapter, or one of its interfaces.§ AUI Attachment Unit Interface§ Common The Signal Common in EIA/TIA Standards. In a 2W-or 4W-RS485 MODBUS Network, Signal

and optional Power Supply Common§ DCE a MODBUS Device, for example a programmable controller adapter, which implements an

RS232 Data Circuit-terminating Equipment, also named Data Communication Equipment.§ Device or “MODBUS device” : see this definition.§ Driver Generator, or Transmitter.§ DTE a MODBUS Device, for example a programming panel or a PC, which implements an RS232

Data Terminal Equipment.§ ITr Physical bus Interface on Trunk side.§ IDv Physical bus Interface on Derivation (or tap or device drop) side.§ LT Line Termination.§ MODBUS Device a Device that implements MODBUS over Serial Line and respects this Technical Note.§ RS232 EIA/ TIA -232 Standard.§ RS485 EIA/ TIA -485 Standard.§ RS485-MODBUS A 2W-or 4W-Network in accordance with this Technical Note.§ Transceiver a Transmitter and a Receiver (or Driver and Receiver).


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