Trabalho Informática Industrial, Trabalhos de Engenharia Elétrica

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FAG - FACULDADE ASSIS GURGACZ

MAIKON LUCIAN LENZ

NILSON CUSTÓDIO JUNIOR

REDES INDUSTRIAIS: MODBUS, MODBUS/TCP E PROFIBUS FMS

CASCAVEL

FAG - FACULDADE ASSIS GURGACZ

MAIKON LUCIAN LENZ

NILSON CUSTÓDIO JUNIOR

REDES INDUSTRIAIS: MODBUS, MODBUS/TCP E PROFIBUS FMS

TrabalhoIndustrial I, do curso de Bacharelado em Engenharia apresentado na disciplina de Informática de Controle e Automação, da FAG, como requisitoparcial de conclusão da disciplina. Professor Orientador: Ederson Zanchet

CASCAVEL

LISTA DE ABREVIATURAS

DP Periferia Descentralizada

GSD Base de dados do dispositivo

HMI Interface homem-máquina

MAC Controle de Acesso ao Meio

MMS Manufacturating Message Specification

OD Object Dictionary

PA Process Automation

PI Organização Mundial Profibus

RPA Associação Regional Profibus

μF Micro-Faraday (*10-6)

nF Nano-Faraday (*10-9)

LISTA DE IMAGENS

• LISTA DE ABREVIATURAS
• LISTA DE IMAGENS
• RESUMO
• ABSTRACT
• 1 INTRODUÇÃO
• 2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
  • 2.1 Protocolo Modbus
    • 2.1.1 Histórico
    • 2.1.2 Visão Geral...................................................................................
    • 2.1.3 Protocolo Modbus e a Camada OSI
    • 2.1.4 Camada de Aplicação
    • 2.1.5 Camada de Enlace
    • 2.1.6 Camada Física
    • 2.1.7 Modbus TCP/IP
    • 2.1.8 Aplicações
  • 2.2 PROFIBUS
    • 2.2.1 Características Gerais
    • 2.2.2 Profibus
    • 2.2.3 Meios de Transmissão
    • 2.2.4 Protocolo de Acesso ao Meio
    • 2.2.5 Perfil de Comunicação FMS
• 3 RESULTADOS
• 4 CONCLUSÃO........................................................................................
• REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
• FIGURA 1. Logo organização Modbus-IDA
• FIGURA 2. Diagrama de blocos
• FIGURA 3. Variantes do protocolo Modbus
• FIGURA 4. Frame do protocolo
• FIGURA 5. Pedido do cliente sem erros
• FIGURA 6. Resposta de erro do Servidor..........................................
• FIGURA 7. Fluxograma de recebimento
• FIGURA 8. Acesso contínuo de memória
• FIGURA 9. Acesso em blocos isolados de memória
• FIGURA 10. Mapa de memória
• FIGURA 11. Mapa de códigos utilizados
• FIGURA 12. Comparação com o Modelo OSI
• FIGURA 13. Dado formados Modo RTU............................................
• FIGURA 14. Frames sendo transmitidos
• FIGURA 15. Composição de um Frame em modo RTU
• FIGURA 16. Dados em ASCII............................................................
• FIGURA 17. Frame em modo ASCII
• FIGURA 18. Exemplo de conexão em um barramento
• FIGURA 19. Transmissão em 2 fios
• FIGURA 20. Transmissão utilizando 4 fios
• FIGURA 21. Conector RJ-45
• FIGURA 22. Conector RJ-45 em conexão 4 vias
• FIGURA 23. Modelo Cliente/Servidor
• FIGURA 24. Arquitetura de comunicação Modbus/TCP/IP................
• FIGURA 25. Pacote genérico de um protocolo Modbus
• FIGURA 26. Cabeçalho MBAP (Request e Response)
• FIGURA 27. Bloco da arquitetura Modbus TCP/IP
• FIGURA 28. Diagrama de gerenciamento da conexão
• FIGURA 29. Estabelecimento de uma conexão
• FIGURA 30. Camadas Modbus TCP/IP
• FIGURA 31. Exemplo de troca de dados em Modbus TCP/I
• FIGURA 32. Planta Industrial Wireless
• FIGURA 33. Tela Supervisório
• FIGURA 34. Conexão com software SCADA
• FIGURA 35. SCADA, Servidor, IHM, Periféricos. Wireless................
• FIGURA 36. Ligação Ponto-a-Ponto.
• FIGURA 37. Rede em barramento.
• FIGURA 38. Ligação Ethernet.
• FIGURA 39. Bridge de rede.
• FIGURA 40. Painel Webserver
• FIGURA 41. Site disponibilizado pelo equipamento.
• FIGURA 42. Arquitetura PROFIBUS.................................................
• FIGURA 43. Exemplo de controle de acesso
• FIGURA 44. Serviços FMS
• FIGURA 45. Seqüência de um serviço FMS......................................
• TABELA 1. Registros Primários LISTA DE TABELAS
• TABELA 2. Códigos de Função Públicos...........................................
• TABELA 3. Lista de Sub-Funções
• TABELA 4. Lista de Códigos de Exceção
• TABELA 5. Classes de Implementação
• TABELA 6. Composição cabeçalho MBAP
• TABELA 7. Áreas que podem ser acessadas de forma indireta
• TABELA 8. PROFIBUS e o Modelo de Referência OSI
  • TABELA 9. Características do IEC 61158-2
  • TABELA 10. Propriedades de Fibras Ópticas
  • TABELA 11. Serviços da Camada de Segurança de Dados

RESUMO

CUSTÓDIO JUNIOR, Nilson; LENZ, Maikon. Redes Indústriais Modbus, Modbus TCP/IP e Profibus FMS. Cascavel, 2010. Trabalho de Conclusão da Disciplina Informática Industrial, Faculdade Assis Gurgacz, Cascavel, 2010.

Este trabalho apresenta uma abordagem teórica sobres algumas redes industriais, entre elas a antiga e famosa Modbus e uma abordagem sobre as Redes Profibus FMS. Serão apresentadas características profundas de tratamento de bytes e frames e as principais características de interfaceamento elétrico e mecânico.

Palavras-chave: Redes Industriais. Modbus. Modbus TCP/IP. Profibus FMS.

1 INTRODUÇÃO

As redes industriais foram criadas, a fim de criar uma solução eficiente e barata para conexão entre os mais distintos dispositivos de um processo de automação. Os protocolos tem papel importante nisso, já que são eles que determinam o “idioma” da rede e permite que um dispositivo converse com outro.

Padrões surgem aos montes. Criados pelos fabricantes dos equipamentos, os protocolos são as vezes “padrão” para uma única marca. E é neste ponto que os protocolos padronizados perdem seu sentido.

São inúmeras as vezes em que se tentou instituir um padrão que fosse adotado por todos os fabricantes. Com a evolução da tecnologia nos equipamentos, vemos cada vez mais dispositivos capazes de se comunicar com os mais diversos protocolos.

Iremos abordar neste trabalho acadêmico dois importantes protocolos industriais: Modbus e Profibus. Porém daremos ênfase as variantes Modbus TCP/IP e Profibus FMS.

2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA

2.1 Protocolo Modbus

2.1.1 Histórico No intuito de criar um protocolo de rede para seus controladores, a empresa Modicon (hoje Schneider Electric) criou em 1979 protocolo Modbus. O protocolo a principio, deveria ser simples e eficiente, a ponto de ser relativamente veloz e fácil de ser implementado nos equipamentos mais simples.

Desde o inicio, o protocolo foi criado de forma aberta. Com essa intenção foi criado um organização sem fins lucrativos conhecida como Modbus-IDA. O propósito desta organização é fornecer suporte aos membros da organização, divulgando o padrão, documentos de implementação e credenciando membros pelo mundo todo. As informações são disponibilizadas através do site http://www.modbus-ida.org/. A FIGURA 1, mostra a logo utilizada pela organização.

FIGURA 1: Logo organização Modbus-IDA Isso possibilitou a adoção por outras empresas do ramo de automação. Apesar de um protocolo relativamente antigo, vários equipamentos tem suporte ao protocolo Modbus, na qual já passou por alguma mudanças e atualizações.

2.1.3 Protocolo Modbus e a Camada OSI

FIGURA 2 - Diagrama de blocos Na FIGURA 3, temos um exemplo de aplicação do protocolo Modbus, trabalhando em camadas físicas diferentes.

FIGURA 3 - Variantes do protocolo Modbus

A grande vantagem de um sistema como mostrado na FIGURA 3, é que em todos os níveis do processo, a adaptação é feita somente em termos físicos do sinal. O mesmo tipo de dado trafega em todos os níveis.

2.1.4 Camada de Aplicação

2.1.4.1 Descrição do Frame

O pacote de dados formado pelo frame do protocolo, possui um sistema fixo chamado PDU , ou Unidade Dados. Este formato se mantém fixo independente da camada física. Envolta desta unidade temos o chamado ADU , ou Unidade de Dados da Aplicação, que prevê a adição de valores e cabeçalhos específicos da aplicação.

FIGURA 4 - Frame do protocolo O formato do pacote adicional ADU é indicado pelo cliente, assim que a conexão é estabelecida.

O código da função, representada na FIGURA 4 por Function Code, possui a unidade de 1 byte. A faixa de 128 a 255 é usada para respostas de exceção. Este campo indica que tipo de operação será realizada. Campo 0 neste dado é dito como erro.

O campo Data, possui valores de argumentos. Assim, o campo Function, diz o tipo de manipulação a ser feita e o campo Data, informa valores adicionais da função, como endereço de manipulação e a contagem atual de bytes do pacote. É

A FIGURA 7 mostra o fluxo grama de recebimento do servidor. Os dados são validados e mediante a validação o servidor executa uma função de resposta.

FIGURA 7 - Fluxograma de recebimento O valor máximo de PDU ou Unidade de Dados, foi herdado das primeiras aplicações, onde utilizava-se uma camada física baseada em RS-485. O valor máximo em bytes do frame é 256 bytes.

Contudo, temos 1 byte de endereço do Servidor e 2 bytes de CRC. Assim Chegamos no valor de 253 bytes máximo. O endereço do Servidor e os 2 bytes de CRC fazem parte do ADU.

Isso significa dizer que temos no máximo uma transmissão de 253 bytes por “Function”, e conseqüentemente 252 bytes de dados úteis.

Em Modbus TCP/IP, temos o acréscimo do cabeçalho MBAP de 7 bytes. Portanto neste caso temos um ADU de 260 bytes.

O protocolo Modbus envia os dados agrupados em bytes. Há casos em que os dados a serem transmitidos são representados em 16 bits ou 2 bytes. Seu sistema utiliza uma codificação chamada Big-Endian , ou seja, primeiramente são enviados os bytes mais significativos de um valor de 16 bits.

Tamanho Registro 16 bits (^) 0x6821 Dado o valor 0x68 é enviado primeiro e depois 0x A troca de dados se baseia em 4 componentes primários em uma rede Modbus: Entradas Discretas, Bobinas de saída, Registros de Entrada e Registros do sistema. Suas composições são mostradas na tabela 1.

Tabela 1 – Registros Primários

2.1.4.2 Acesso a Memória

A plataforma de memória e acessada endereçando os dados de 0 a 65535. Conseqüentemente define que cada bloco de memória é enumerada de 1 a n, como mostra a FIGURA 10.

FIGURA 10 - Mapa de memória A alocação de memória deve ser previamente mapeada por ambas as partes.

2.1.4.3 Categorias do Código da Função

Os códigos de função, colocado no campo Function Code, pode ser distribuído em três níveis:

• Código públicos: documentação pública, validados pela organização Modbus-IDA, são únicos, são acompanhados em funções Modbus padrão.
• Códigos Definidos pelo Usuário: podem ser utilizados na faixa 65 e72 e na faixa 100 e 110, usuário pode implementar funções que aceitem estes códigos, o usuário pode tornar este código público e padrão, para isso basta entrar com um pedido junto RFC.
• Códigos Reservados: utilizados por alguma empresas, não podem ser usados. A FIGURA 11 mostra o mapa de códigos. Lembrando que os códigos são de 1 byte e devem estar obrigatoriamente na faixa de 1 a 127, já que os números acima de 127 são usados para indicar um erro no pedido.

FIGURA 11 - Mapa de códigos utilizados