Trabalho de Protocolos de Redes Industriais

CENTRO DE TECNOLOGIA E SIMULAÇÃO SENAI CURSO DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS

EQUIPE DE PROJETO E DOCUMENTAÇÃO

RIO DE JANEIRO MAIO/2012

EQUIPE DE PROJETO E DOCUMENTAÇÃO

PROTOCOLOS DE REDES INDUSTRIAIS

Orientador Específico: Prof. Roberto Lopes

RIO DE JANEIRO MAIO/2012

Dedicamos este trabalho para as nossas famílias que estão sempre juntos de nos dando forças e para todos os integrantes desta equipe de Projeto e Documentação

AGRADECIMENTOS

Agradecemos a todas as pessoas que nos dão força, aquelas que nunca desistem de nos falarmos palavras de incentivo, aquelas que nos dizem para desistir, aquelas que não precisam falar para nos colocar para cima, para aquelas que pensam que iremos fracassar, para aquelas que acreditam no nosso sucesso, para aquelas que só começaram a viver agora e para aquelas que amamos de qualquer forma, pois são essas pessoas que nos fazem continuar a lutar.

O sucesso é ir de fracasso em fracasso sem perder entusiasmo. Winston Churchill

RESUMO

Equipe de Projeto e Documentação. Protocolos de Redes Industriais;

Professor: Roberto Lopes

Rio de Janeiro: SENAI - RJ, 2012, 35 fls.,

Neste trabalho, falaremos de alguns protocolos de redes existentes em meio

aos vários existentes hoje. Não temos a intenção de esgotar todo o conhecimento sobre redes industriais, pois caso fosse este motivo, teríamos que criar um extenso livro sobre cada protocolo de rede presente ate os dias de hoje, mas nossa intenção e que este trabalho sirva como a porta de entrada para termos tais conhecimentos.

As redes industriais surgiram da necessidade de interligar equipamentos

usados nos sistemas de automação, se antes operavam de modo independente. A interligação dos equipamentos industriais em redes de comunicação permitiu o compartilhamento de recursos e troca de bases de dados. A corrida dos grandes fabricantes de CLP para determinar um protocolo de rede padrão trouxe um grande atraso na definição de uma tecnologia única na área de comunicação e vários protocolos foram criados na intenção de determinar qual seria vencedor nesta disputa, seja ela no chão de fabrica, em níveis de controle ou em nível gerencial, temos uma vasta quantidade de protocolos distintos com suas qualidades e defeitos.

Palavras-chaves: Protocolos, Redes Industriais, Comunicação, Tecnologia.

ABSTRACT

Project and Documentation Team. Industrial Networks Protocols;

Teacher: Roberto Lopes

Rio de Janeiro: SENAI - RJ, 2012, 35 fl.,

In this work, we'll talk some network protocols exist among the various existing

today. We do not intend to exhaust all the knowledge of industrial networks, as was the case this reason, we would have to create a comprehensive book on each network protocol until the present day, but our intention and that this work serves as the gateway to have such knowledge.

Industrial networks emerged from the need to interconnect devices used in

automation systems, before to operating independently. The interconnection of industrial equipment in communication networks has enabled the sharing and exchange of resources databases. The race of the major PLC manufacturers to determine a default network protocol brought a long delay in setting a unique technology in the area of communication and various protocols have been created in an attempt to determine what would be the winner in this dispute, whether the factory floor, levels in control or management level, we have a vast amount of different protocols with their qualities and defects.

Keywords: Protocols, Industrial Networks, Communication, Technology.

LISTA DE FIGURAS

Figura 01: Range do Sinal usado no Protocolo HART ..................................................................................... 13 Figura 02: Sinal digital modulado em FSK sobreposta ao sinal analogico de 4 – 20mA ................................ 14 Figura 03: Instrumento HART com controle PID .............................................................................................. 14 Figura 04: Fluxo de informação digital ............................................................................................................. 15 Figura 05: Troca de dados entre mestre e escravo ......................................................................................... 17 Figura 06: Rede ponto a ponto HART .............................................................................................................. 17 Figura 07: Fluxo de resposta do escravo em modo Burst ............................................................................... 17 Figura 08: Instrumentos HART em ligação multidrop ...................................................................................... 18 Figura 09: Visão de Uma rede HART com Multiplexador ................................................................................ 19 Figura 10: Comparação da aplicação de outras redes industriais com a Ethernet ......................................... 20 Figura 11: Colisão de dados nas primeiras redes Ethernet modernização da rede para Full Duplex ............. 22 Figura 12: Frame de dados CAN Padrão normal ............................................................................................. 26 Figura 13: Frame de dados CAN Padrão estendido ........................................................................................ 27 Figura 14: Exemplo de mensagem do tipo Talker ............................................................................................ 29 Figura 15: Exemplo de mensagem do tipo Query ............................................................................................ 29

LISTA DE TABELAS

Tabela 1: Frame de Dados HART .......................................................................................................... 15 Tabela 2: Distancia por máxima pelo tipo do cabo................................................................................. 16 Tabela 3: Quantidade de instrumentos pela capacitância do cabo........................................................ 16 Tabela 4: Quadro de dados em redes Ethernet ..................................................................................... 21

LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

ASCII American Standard Code for Information Interchange

ADU Application Data Unit

CD Collision Detection

CLP Controlador Logico Programável

CRC Cyclical Redundancy Checking

CSMA Carrier Sense Multiple Access

ECU Eletronic Computer Unit

FSK Frequency Shift Key

HART Highway Addressable Remote Transducer

HCF HART Communication Foundation

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP Internet Protocol

ISO International Society of Organization

PDU Protocol Data Unit

RTU Remote Terminal Unit

SAE Society of Automotive Engineers

SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído

TCP Transmission Controller Protocol

SUMÁRIO

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................... 12

2 PROTOCOLO HART ............................................................................................. 13 2.1 SINAL .................................................................................................................. 13 2.2 ESTRUTURA DA MENSAGEM HART ................................................................ 15 2.3 CABEAMENTO ................................................................................................... 16 2.4 TOPOLOGIA ....................................................................................................... 16 2.4.1 PONTO A PONTO ............................................................................................ 17 2.4.2 MULTIDROP .................................................................................................... 18 2.5 COMANDO HART ............................................................................................... 18 2.6 MULTIPLEXADORES .......................................................................................... 19

3 PROTOCOLO ETHERNET .................................................................................... 20 3.1 VANTAGENS DA ETHERNET ............................................................................. 20 3.2 ESTRUTURAS DO FRAME DE DADO ETHERNET ........................................... 21 3.3 TOPOLOGIA ....................................................................................................... 21 3.4 EXPANDINDO A REDE ETHERNET ................................................................... 23 3.5 MÉTODOS DE ACESSO ..................................................................................... 23 3.6 A VELOCIDADE DA ETHERNET ........................................................................ 24

4 PROTOCOLO CAN................................................................................................ 25 4.1 REDE CAN .......................................................................................................... 25 4.2 CONCEITO ......................................................................................................... 25 4.3 APLICAÇÃO ........................................................................................................ 26 4.4 FORMATOS DOS FRAMES DE DADOS ............................................................ 26 4.5 CONCLUSÕES ................................................................................................... 27

5 PROTOCOLO NMEA ............................................................................................. 28 5.1 FORMATOS DE DADOS ..................................................................................... 28 5.2 TALKER SENTENCES ........................................................................................ 28 5.3 PROPRIETARY SENTENCES ............................................................................ 29 5.4 QUERY SENTENCES ......................................................................................... 29

6 PROTOCOLO MODBUS ....................................................................................... 30 6.1 DEFINIÇÃO ......................................................................................................... 30 6.2 ESPECIFICAÇÕES ............................................................................................. 31 6.3 FUNÇÕES E REPRESENTAÇÕES DE DADOS EM MODBUS .......................... 31 6.4 MODOS DE COMUNICAÇÃO ............................................................................. 32 6.5 PADRÕES DE LIGAÇÕES .................................................................................. 32

REFERÊNCIAS ......................................................................................................... 34

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1 INTRODUÇÃO

Uma primeira tentativa de interação com os computadores ocorreu no início da década de 60, com a criação da rede de dados ALOHA, da Universidade do Hawaii, o que resultou na criação embrionária da tecnologia de transmissão de dados. Nessa técnica um conjunto de terminais era conectado a um processador central através de linhas de comunicação de baixa velocidade, o que permitia aos usuários interagir com os seus programas. A necessidade de conexão de terminais para o processamento interativo foi o ponto de partida para o estabelecimento de necessidades de comunicação dos computadores. Com os avanços da tecnologia de semicondutores e da rápida ascensão da tecnologia de construção de processadores, novas aplicações para essas redes recém-criadas avançaram desde as universidades ate a área domestica e industrial. E exatamente na indústria que a mais acirrada competição entre as redes de comunicação tornaram uma grande competição patrocinada pelas empresas para saber qual seria a melhor rede de comunicação e como consequência, qual empresa tomaria as rédeas nesta competição. Cada vez mais, as aplicações exigiam uma velocidade e uma capacidade de transmissão mais elevadas. Outro aspecto a ser ressaltado é que as redes podiam ser estendidas em função das necessidades de processamento das aplicações. E nas varias camadas hierárquicas presentes desde e chão de fabrica ate aos níveis gerenciais, as várias redes de comunicação presentes hoje tornam o assunto bastante complexo no sentido da definição de qual protocolo utilizar em suas empresas. Neste trabalho, falaremos de alguns protocolos de redes existentes em meio aos vários existentes hoje, como por exemplo, o HART (protocolo de transmissão de dados em instrumentos de campo), o Protocolo Ethernet (que não importante, foi o inicio de todo o processo de transmissão de dados), protocolo CAN (muito importante ao processo de melhoria tecnológica nos veículos e na área de aviação), Protocolo NMEA (que traz integração de vários dispositivos eletrônicos de uso naval) e o protocolo Modbus( Protocolo de barramento de campo ).

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2. PROTOCOLO HART

O protocolo HART (Highway Addressable Remote Transducer) foi introduzido pela empresa

Fisher Rosemount Inc em 1980. Em 1990 o protocolo foi aberto à comunidade e foi fundado, a HART

Communication Foundation (HCF) situado em no distrito de Austin, localizado no estado Americano do

Texas, EUA. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação Half duplex que não afetava o sinal

analógico de controle e não era afetado por mesmo. A grande vantagem oferecida por este protocolo é

possibilitar do uso dos instrumentos HART em cima dos cabos 4-20 mA tradicionais. Como a

velocidade é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos. Os

dispositivos capazes de executarem esta comunicação híbrida são denominados de dispositivos smart.

2.1 SINAL

O sinal HART é modulado em FSK (Frequency Shift Key) padrão Bell 202 e é sobreposto ao sinal analógico de 4.20 mA. Para transmitir 1 é utilizado um sinal de 1 mA pico a pico na frequência de 1200 Hz e para transmitir 0 a frequência de 2400 Hz é utilizada como mostra a figura 1. A comunicação é bidirecional.

Figura 1: Range do Sinal usado no Protocolo HART

O protocolo HART funciona com a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos 4-20 mA na mesma fiação e sem interferência. Como a velocidade de transmissão é baixa, os cabos normalmente usados em instrumentação podem ser mantidos, mantendo a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento sobre os sistemas 4-20 mA existentes.

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Figura 2: Sinal digital modulado em FSK sobreposta ao sinal analogico de 4 – 20mA.

Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam o padrão internacional de sinal analógico 4-20 mal para transmissão da variável de processo. Dessa maneira é possível estender o uso do protocolo HART, virtualmente, a todos os sistemas de controle de processos de plantas, permitindo a medição de processos de forma mais eficaz e interativa que a instrumentação analógica. A comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos, há vários anos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Esse sinal de corrente, na maioria das aplicações, varia dentro da faixa de 4mA a 20mA proporcionalmente à variável de processo representada.

Figura 3: Instrumento HART com controle PID

O protocolo HART possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico 4-20 mA. Tanto o sinal analógico 4-20 mA como o digital de comunicação HART, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. Por exemplo, a variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidas ao mesmo tempo em que as medições adicionais, calibração, configuração do instrumento e outras informações necessárias na

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mesma fiação. A tecnologia HART é um protocolo do tipo mestre/escravo, ou seja, o dispositivo de campo inteligente (escravo) somente se manifesta se solicitado pelo mestre. O Protocolo HART pode ser utilizado em vários modos, tais como ponto a ponto ou multiponto, para transmitir informações entre instrumentos de campo inteligentes e sistemas centrais de monitoramento ou controle. O Protocolo HART fornece dois Canais de comunicação simultâneos: o sinal analógico de 4-20 mA e um sinal digital. O sinal de 4-20 mA transmite o valor primário medido (no caso de um instrumento de campo) utilizando uma malha de corrente de 4-20 mA o padrão mais rápido e mais confiável do setor. As informações adicionais do dispositivo são transmitidas por meio de um sinal digital sobreposto ao sinal analógico. O sinal digital contém as informações do dispositivo, tais como status, diagnósticos, valores adicionais medidos ou calculados, etc. Juntos, os dois Canais de comunicação oferecem uma solução de comunicação de campo extremamente sólida e completa, de baixo custo e de fácil utilização e configuração.

Figura 4: Fluxo de informação digital

2.2 ESTRUTURAS DA MENSAGEM HART

A estrutura da mensagem enviada pelo sinal HART digital é apresentada na abaixo: 5 – 20 bytes 1 byte 1 ou 5 bytes 1 byte 1 byte 2 bytes 0-25 bytes 1 byte

Preâmbulo Inicio Endereço Comando Bit Contador Status Dados Checksum

Tabela 1: Frame de Dados HART

Preâmbulo: Possui entre 5 e 20 bytes em hexa FF (todos 1‟s) e auxilia o receptor a sincronizar o stream de caracteres. Inicio: indica o tipo de mensagem: mestre para escravo, escravo para mestre, ou mensagem em burst

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do escravo; e também o formato do endereço: quadro curto ou quadro longo. Endereço: Inclui o endereço do mestre (um único bit: 1 para mestre primário, 0 para mestre secundário) e do escravo. No formato de quadro curto, o endereço do escravo tem 4 bits contendo o “polling address” (0 a 15). No formato de quadro longo, o tamanho é de 38 bits contendo o “identificador único” para um instrumento em particular (um bit é também usado para indicar se o escravo está em modo burst). Comando: Contém o tipo de comando HART associado à mensagem. Os comandos universais estão na faixa de 0 a 30; comandos práticos estão na faixa de 32 a 126; comandos específicos do instrumento estão na fixa de128 a 253. Contador de byte: Contém o número de bytes dos campos status e dado. O receptor usa-o para saber quando a mensagem está completa, uma vez que não existe o caractere especial “fim de mensagem”(End of Messenger) O campo status (também conhecido como “código de resposta”) tem dois bytes presentes somente na mensagem de resposta de um escravo. Ele contém informações sobre erros de comunicação no recebimento de mensagem, o status do comando recebido e o status do instrumento. Dados: Pode estar presente ou não, dependendo do comando particular. O comprimento máximo recomendado é de 25 bytes, para manter uma duração global de mensagem razoável. Checksum: Contém um “ou exclusivo” ou “paridade longitudinal” de todos os bytes anteriores (do caractere de início em diante). Junto com o bit paridade anexado a cada byte, ele é usado para detectar erros na comunicação.

2.3 CABEAMENTO

A distância máxima do sinal HART é de cerca de 3000m para um único para trançado blindado e 1500m para múltiplos cabos de par trançado com blindagem comum. O sinal possui compatibilidade com sistema telefônico para o caso de grandes distâncias.

Distancia Máxima Tipo do cabo Mm2 (AWG)

1530 m Múltiplos Cabos de par trancado com blindagem única 0.2 (24)

3000 m Cabo de par trancado com blindagem 0.5 (20)

Tabela 2: Distancia por máxima pelo tipo do cabo O fator mais limitante do comprimento do cabo é sua capacitância. Quanto maior a capacitância e o número de dispositivos, menor a distância máxima permitida.

Numero de Instrumentos Capacitância por Quilometro

65 nF/Km 95 nF/Km 160 nF/Km 225 nF/Km

1 2800 m 2000 m 1300 m 1000 m

5 2500 m 1800 m 1100 m 900 m

10 2200 m 1600 m 1000 m 800 m

15 1800 m 1400 m 900 m 700 m

Tabela 3: Quantidade de instrumentos pela capacitância do cabo

2.4 Topologia

O HART é um protocolo do tipo mestre/escravo, tipicamente entre um instrumento de campo e um sistema de controle ou monitoramento, podendo ser ponto a ponto ou Multidrop. O protocolo permite o uso de até dois mestres que podem ser comunicar com um instrumento escravo em uma

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rede HART. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP, um controle central baseado em computador, um multiplexador ou um sistema de monitoração. O mestre secundário é geralmente representado por terminais handheld de configuração e calibração.

Figura 5: Troca de dados entre mestre e escravo

Os mestres secundários podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar quaisquer distúrbios na comunicação com o mestre primário.

2.4.1 Ponto a Ponto

A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com a com o sinal analógico de 4-20 mA, mais comumente usada, permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre, ou seja, cada ciclo de pedido e recebimento de valor dura cerca de 500ms. O sinal analógico de 4-20 mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.

Figura 6: Rede ponto a ponto HART

Um segundo mecanismo de transferência de dados utilizado é o denominado burst ou broadcast mode. Neste, o instrumento pode enviar uma variável (por exemplo, a variável primária) de forma automática e periódica. No intervalo entre os envios o mestre pode executar um ciclo de pergunta e resposta. A taxa de transmissão nesse caso se eleva para 3 ou 4 ciclos por segundo. O mestre pode a qualquer momento enviar uma mensagem para interromper este envio contínuo de mensagens de reply, de acordo com sua conveniência. O modo burst libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitação para atualizar a informação da variável de processo.

Figura 7: Fluxo de resposta do escravo em modo Burst

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2.4.2 Multidrop

O protocolo HART tem a capacidade de conectar até 15 instrumentos de campo pelo mesmo par de fios em uma configuração multidrop, Neste tipo de aplicação, o sinal de corrente é fixo, ficando somente a comunicação digital limitada ao mestre/escravo. O valor da corrente de cada instrumento escravo é mantido no seu nível mínimo de 4mA e o valor da PV deve ser lido através de uma mensagem explícita.

Figura 8:Instrumentos HART em ligação multidrop

A grande deficiência desse tipo de configuração é que o tempo de ciclo para leitura de cada instrumento é de cerca de 500ms podendo alcançar 1000ms. Para o caso de 15 equipamentos o tempo será de 7,5 s a 15 s, o que é muito lento para grande parte das aplicações.

2.5 Comando HART

A comunicação HART é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o escravo responde. Existem três tipos de comandos HART que permitem leitura/escrita de informações em instrumentos de campo. Os comandos universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo HART. Um terceiro tipo, os comandos específicos do instrumento, permite maior flexibilidade na manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de instrumento. Comandos Universais – todos os instrumentos que utilizam o protocolo HART devem reconhecer e suportar comandos universais. Eles asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso às informações usuais em operações de plantas. Exemplos: leitura da PV e unidades, leitura do tipo de instrumento e fabricante, leitura da corrente de saída, percentual de intervalo e leitura do número de série e limites do sensor. Comandos Práticos – permitem acessar funções que são implementadas em alguns instrumentos, mas não necessariamente em todos. Esses comandos são opcionais, mas se implementados, devem atender às especificações da norma. Exemplos: ler a seleção de 1 a 4 variáveis dinâmicas, escrever intervalo do transmissor, fixar corrente de saída, realizar auto-teste. Comandos Específicos – permitem o acesso a características exclusivas do instrumento e geralmente são usados para configurar os parâmetros. Exemplo: escrever um novo set-point de um algoritmo PID disponível no instrumento. As informações de diagnóstico do instrumento estão

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disponíveis em todas as respostas ao comando HART, garantindo uma elevada integridade do sistema para malhas críticas. Os bits que representam o estado do instrumento em cada mensagem de resposta indicam o mau funcionamento ou outros problemas, tais como, saída analógica saturada, variável fora da faixa ou erros de comunicação. Alguns instrumentos compatíveis com HART podem monitorar continuamente estes bits do instrumento e permitir a geração de alarme ou mesmo o seu desligamento se problemas forem detectados.

2.6 Multiplexadores

Os multiplexadores fazem parte de todo novo projeto envolvendo redes HART. Funcionam como um mestre primário que realiza a leitura de todas as variáveis de processo e informações dos estados de todos os transmissores periodicamente, de forma independente do hospedeiro. O host por sua vez lê as variáveis de processo do multiplexador. Também pode enviar comandos e estabelecer uma “conversação” diretamente com um dispositivo de campo. O multiplexador é essencial quando um dos objetivos do projeto é o controle dos ativos de instrumentação IAM (Instrumentation Asset Management). Em sistemas antigos onde se deseja implementar esta função, multiplexadores podem ser colocados em paralelo com as ligações convencionais para proporcionar a função de diagnóstico contínuo dos instrumentos.

Figura 9: Visão de Uma rede HART com Multiplexador

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3. PROTOCOLO ETHERNET INDUSTRIAL

Em 1973, quando Bob Metcalfe da Xerox PARC (Palo Alto Reseach Center) inventou a

Ethernet, sua motivação era conectar estações de trabalho avançadas entre si e com impressoras

laser em alta velocidade. Nessa época, conexões entre computadores eram possíveis, mas utilizando

apenas baixas taxas de transmissão. A revolução proporcionada pela invenção de Metcalfe foi permitir

a comunicação em alta velocidade, a um custo relativamente baixo. Por “alta velocidade”, entende-se

uma taxa de transmissão maior que 1 Mbps, considerada alta na época. Hoje, é corriqueiro utilizar

Ethernet a velocidades de 100 Mbps e 1 Gbps (1000 Mbps) e a versão com velocidade de 10 Gbps

está no forno.

3.1 Vantagens da Ethernet

A Ethernet é um protocolo de comunicação de dados definido pelo padrão 802.3 da IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) em 1984. Uma de suas maiores atrações é a simplicidade. Quando um dispositivo precisa mandar uma mensagem, ele espera o momento em que não há tráfego na rede, e aí transmite a mensagem. Se outro dispositivo enviar ao mesmo tempo, ambos imediatamente param e esperam um tempo aleatório para tentar mandar a mensagem novamente. Esta aleatoriedade causada por essa “colisão” é a fonte de todos os problemas e controvérsias associadas à Ethernet.

Figura 10: Comparação da aplicação de outras redes industriais com a Ethernet

A razão óbvia de usar a Ethernet para aplicações industriais é a desejável combinação de baixos custos, velocidade e disponibilidade de componentes industriais. Porém, os argumentos primários contra o uso da Ethernet em ambientes industriais são:

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A Ethernet é não determinística, então em alguns casos ela não é a melhor escolha onde tempo real e operações de risco são críticas;

Existem poucos switches e cabos que passam em testes de ambientes desfavoráveis;

O cabeçalho de um pacote de dados é grande. As informações de identificação e encaminhamento são muito maiores que os protocolos das redes industriais especializadas;

Entretanto, um projeto cuidadoso de uma rede Ethernet, combinado com o uso de componentes apropriados, pode se aproximar muito de uma operação sem riscos.

3.2 Estruturas do frame de dado Ethernet

A tabela abaixo ilustra o formato do frame do protocolo Ethernet definido no padrão original

IEEE 802.3:

7 Bytes 2 Bytes 6 Bytes 6 Bytes 2 Bytes .46 – 1.5K bytes 4 Bytes

Preambulo Inicio do Frame Endereço Endereço da fonte Tamanho Dados Checagem da mensagem

Tabela 4: Quadro de dados em redes Ethernet

Preambulo: Sequência de 56 bits que são usados para a sincronização dos dados do frame na rede; Inicio do frame: sequência de 8 bits que indica o início do frame; Endereço: identifica o endereço do dispositivo que receberá o frame; Endereço da fonte: identifica o endereço do dispositivo que originou o frame; Tamanho: indica o número de bits dos dados que serão transmitidos; Dados: este campo contém os dados que serão transmitidos (máximo de 1500 bytes); Checagem da mensagem: este campo contém 32 bits que analisam redundâncias cíclicas no frame,

ou seja, checam se há erros no pacote do frame.

3.3 Topologia

As duas topologias comumente usadas pela rede Ethernet são a topologia em Estrela (Star) e a topologia em Barra (Bus). A rede Ethernet foi inicialmente concebida para ser uma rede de barramento multidrop (100Base-5) com linha troco e cabo grosso e conectores do tipo “vampiro”, com isso, tinha uma praticidade pequena e teve uma evolução, passou a ter uma topologia estrela com par trançado. Sua velocidade de rede era 10 Mbps, passou para 100 Mbps e agora alcançou 1 Gbps (IEEE 802.3z ou Gigabit Ethernet), trocou os cabos half duplex mais comumente utilizados, pelos full duplex e hubs inteligentes com capacidade de comutação de mensagens. Com a mudança, se tornou uma rede confiável, pois em uma única conexão não seria mais responsável por comprometer toda a rede; em vez disso, ela poderia apenas afetar o dispositivo terminal uma vez que cada conexão efetivamente se tornara uma conexão ponto-a-ponto. Melhorou-se o gerenciamento de trafego com a mudança para a topologia estrela. Mesmo

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assim, a rede ainda podia permitir que somente um dispositivo falasse por vez, independente do tipo de dispositivo que se quisesse atingir. Com a introdução dos switches full duplex, isso mudou. Pois o switch tem uma arquitetura que permite vários caminhos de transmissões ao mesmo tempo (semelhante com uma comunicação telefônica). Isso significa que o dispositivo não mais compartilha a banda com um outro e consequentemente o throughput foi melhorado significativamente. Isso foi feito inspecionando-se o cabeçalho de cada frame que vinha para o switch para seu endereço destino. O switch iria então transmitir aquele frame para a porta no switch onde o dispositivo destino estava conectado. Como o switch descobriria essa informação? Ele somente precisaria dar uma olhada no endereço fonte no frame e então poderia construir uma tabela relacionando as portas aos dispositivos, chamada Learned Address Table. Isso se difere significativamente dos hubs, que somente enviavam os frames para todas as portas. Construindo buffers de memória dentro do switch, qualquer porta que estivesse em uso no instante em que o frame havia chegado, poderia ter uma lista de frames armazenados até que a porta estivesse livre. A partir desse ponto, isso era um pequeno passo desde o original half duplex que a Ethernet estava ainda usando para o full duplex que é o que prevalece hoje em dia.

Figura 11: Colisão de dados nas primeiras redes Ethernet modernização da rede para Full Duplex

De repente, em vez de somente ser capaz de enviar ou receber dados, um dispositivo poderia fazer ambos ao mesmo tempo. Desde então, melhorias no processamento do sinal digital significaram a possibilidade de termos hoje uma comunicação full duplex em apenas um par de fios de cobre. No momento, isso é somente feito em Ethernet Gigabit, e somente em cobre. Os padrões para full duplex e controle de fluxo foram finalmente estabelecidos, com o padrão 802.3x. Considerando confiabilidade de rede, mais uma vez a Ethernet não ficou parada, e existem hoje muitas maneiras de manter a disponibilidade da rede. A primeira é chamada Spanning Tree (802.1D). Ela permite a conexão de switches Ethernet dentro de uma estrutura de árvore. Qualquer caminho duplicado é desativado e será somente reativado quando o caminho ativo falhar. O único problema com esse sistema é o tempo que ele demora para se reconfigurar, aproximadamente 30 segundos. Uma nova versão da Spanning Tree também já foi lançada, chamada de Fast Spanning Tree, entretanto, é esperada uma velocidade em torno dos 5 segundos. Ambos esses padrões são ditados pela IEEE. Do ponto de vista da indústria, esse tempo é muito longo – felizmente existem outros dois métodos. O primeiro é chamado Redundância de Enlace (Link Redundancy) e envolve cabeamento duplo em cada conexão: muito trabalho. Entretanto, quando um caminho falha, o outro é ativado quase que imediatamente. Isso não foi padronizado ainda e permanece específico ao fabricante. O segundo método é de novo um método proprietário e pertence à Hirschmann. É usada uma estrutura em anel onde um dos switches ou hubs monitora a integridade do anel enviando pequenos frames para todo o caminho ao longo do anel. Um dos links conectados a esse switch/hub, o monitor de redundância será desativado, mas ainda permite a passagem desses frames especiais, e será reativado somente quando a integridade do link falhar. Usando esse método, é possível se atingir baixos tempos – 50 ms – o que é muito mais aceitável no ambiente industrial. A Internet é uma rede pública de comunicação de dados, com controle descentralizado e que utiliza o conjunto de protocolos TCP/IP como base para a estrutura de comunicação e seus serviços de rede. Isto se deve ao fato de que a arquitetura TCP/IP fornece não somente os protocolos que habilitam a comunicação de dados entre redes, mas também define uma série de aplicações que contribuem para a eficiência e sucesso da arquitetura. Entre os serviços mais conhecidos da Internet estão o correio-eletrônico (protocolos SMTP, POP3), a transferência de arquivos (FTP), o compartilhamento de arquivos (NFS), a emulação remota de terminal (Telnet), o acesso à informação

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hipermídia (HTTP), conhecido como WWW (World Wide Web). O conjunto de protocolos TCP/IP foi projetado especialmente para ser o protocolo utilizado na Internet. Sua característica principal é o suporte direto a comunicação entre redes de diversos tipos. Neste caso, a arquitetura TCP/IP é independente da infra-estrutura de rede física ou lógica empregada. De fato, qualquer tecnologia de rede pode ser empregada como meio de transporte dos protocolos TCP/IP.

3.4 Expandindo a Rede Ethernet

Hubs / Repeaters: Hubs, também conhecidos como repeaters, aumentam a extensão da rede pela união de segmentos. Um conceito de rede conhecido como domínio de colisão define o número total de dispositivos recebendo e transmitindo na mesma sub-rede lógica. Quanto mais dispositivos no segmento, maior é o domínio de colisão. Isso significa que é mais provável que aconteça uma colisão na comunicação entre dois dispositivos. Switches / Bridges: Por outro lado, os switches e bridges separam os segmentos em domínios de colisão isolados. Eles analisam ativamente cada pacote de informação da Ethernet e enviam somente aqueles pacotes que estão endereçados a um dispositivo específico. A utilização de uma rede comutada significa que os dispositivos não recebem todo o tráfico da rede, mas somente a informação relevante. Separando a rede em domínios de colisão desconectados, aumenta-se significativamente o desempenho desta rede. Routers: O uso de routers para separar a rede associada da aquisição de dados e da rede de controle coloca as duas redes em seus próprios domínios lógicos. Isso minimiza o tráfico direto para os dispositivos individuais.

3.5 Métodos de Acesso

Os dispositivos conectados à rede Ethernet “competem” para acessar a rede usando um protocolo de acesso chamado CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection). É um método de acesso aleatório Half-Duplex que funciona da seguinte forma:

Carrier Sense especifica que todos os dispositivos devem esperar que não haja tráfego na rede por um período pré-definido de tempo (conhecido como interframe gap) antes de transmitir o dado;

Multiple Access especifica que todos os dispositivos na rede têm a mesma prioridade de acesso para transmitir dados. Também, nenhum dispositivo tem permissão para repetir a sequência de transmissão sem esperar pelos outros dispositivos que transmitem seus dados (diferentemente das redes que utilizam token-ring ou token-bus, que garantem a qualquer outro dispositivo uma oportunidade de transmitir antes que o segundo pacote de dados possa ser transmitido);

Collision Detection especifica que o dispositivo que está transmitindo deve detectar uma colisão de dados com qualquer outro dispositivo. Isso acontece quando duas estações começam a transmitir dados simultaneamente.

O desempenho da rede Ethernet depende de muitos parâmetros. Esses parâmetros são determinados pela especificação da rede e sua arquitetura. Alguns desses parâmetros são: taxas de transmissão, tamanho do pacote de dados, comprimento do cabo, número de repetidores, número de dispositivos conectados, etc.

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Um novo modo de Ethernet chamado Full Duplex foi recentemente definido pela IEEE 803.3x. Neste modo, todas as conexões devem ter caminhos independentes de transmissão e recepção, permitindo que as estações transmitam e recebam dados simultaneamente. Isso praticamente dobra a passagem de dados na rede, porém limita as conexões para o tipo ponto-a-ponto. Nesse tipo de conexão, somente dois dispositivos podem estar no mesmo segmento, limitando a rede a dois nós ou então necessitando de switches para Ethernet. Com o Full Duplex não há mais a possibilidade de colisões. O protocolo CSMA/CD não é mais necessário, e a única restrição para transmitir dados é o período de tempo do interframe.

3.6 A VELOCIDADE DA ETHERNET

Uma das principais vantagens da Ethernet sobre quase todos os outros tipos de rede é sua velocidade. Uma frase comum na indústria de comunicação e redes no momento é “fat pipes”. Isso se refere à banda de conexão entre dois dispositivos. A Ethernet na Xerox PARC rodava a 2,94 Mbps. Quando a Microsoft introduziu o Windows Workgroups 3.11 em 1993, o cabo coaxial e os NICs (Network Interface Card) fornecidos no pacote rodavam a 10 Mbps. Atualmente, as maiorias das redes de escritório rodam a 100 Mbps (Fast Ethernet). Entretanto, a velocidade real (ou “fat pipes”, verdadeiramente) é entre switches. Eles rodam a 1 Gpbs. A IEEE, o órgão governamental para Ethernet, já esta anunciando os padrões para Ethernet 10 Gbps. Entretanto, o ponto principal é que a Ethernet é muito mais rápida que qualquer outra rede, seja essa baseada em escritório ou em fábrica. Pergunte ao seu fabricante de CLP quão rápido é sua rede preferida, mas esteja preparado para um número bem baixo. O que isso significa para os defensores do determinismo é que como todos os dados vão tão rapidamente, qualquer atraso de tempo causado pela espera de outro dispositivo finalizar sua transmissão é quase desprezível.

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4. PROTOCOLO CAN

Na década de 80, houve o início da popularização dos sistemas automatizados, apareceram

diversos protocolos e também diversos grupos de pesquisa e desenvolvimento. Um destes protocolos

criados foi o protocolo CAN, desenvolvido para troca de dados entre equipamentos eletrônicos. Este

padrão é oriundo da indústria automobilística, mas logo ficou famoso e atualmente é um dos mais

utilizados nas indústrias, escritórios onde uma rede de comunicação de baixo custo e simples é

necessária para fazer a comunicação de diversos dispositivos. O objetivo principal desse trabalho e

mostrar o que é o protocolo CAN e suas aplicações.

4.1 Rede CAN

Apresentado em Detroit em 1986, por Robert Bosch o Protocolo Digital de comunicação serial síncrona, para aplicações em automóveis. Este Permitira interligação de diversos dispositivos eletrônicos no automóvel com um baixo custo, garantindo uma diminuição razoável na gama de cabos. O Protocolo CAN foi inspirado pela técnica CSMA / CD with AMP (Carrier Sense Multiple Acess / Collision Detection and Arbitration on Message Priority). Na mesma década o mundo assistiu a modernização no setor automobilístico e eletrônico. Os novos veículos ofereciam mais comodidade, conforto e segurança, por um preço mais acessível. O CAN foi padronizado mundialmente pela ISO (International Society of Organization) e a aplicabilidade de cada um dos diferentes tipos de rede CAN foi regulamentada pela SAE (Society of Automotive Engineers). E como foi dito essa mudança veio na hora certa, pois a quantidade e espessura de cabos usados para conectar os equipamentos eletrônicos dos automóveis tornaria a automatização do mesmo inviável, e as primeiras “rede” eram muito lentas, demoravam, geravam muitos erros, e, tinham um alto custo.

4.2 Conceito

O CAN é um protocolo de comunicação serial síncrono. A sincronização dos módulos conectados a rede é feito em relação ao início de cada mensagem colocada no barramento (este evento ocorre em intervalos de tempo conhecidos e seguros). Outro ponto forte deste protocolo é o fato de ser fundamentado no conceito CSMA/CD with NDA (Carrier Sense Multiple Access / Collision Detection with Non-Destructive Arbitration). Isto significa que todos os módulos verificam o estado do barramento, analisando se outro módulo está ou não enviando mensagens com maior prioridade. Caso isto seja percebido, o módulo cuja mensagem tiver menor prioridade cessará sua transmissão e o de maior prioridade continuará enviando sua mensagem deste ponto, sem ter que reiniciá-la. O CAN, que foi abraçado pelas indústrias, com um excelente retorno. As características incomparáveis como: prioridade de Mensagens, tempos de latência garantidos, flexibilidade de configuração, protocolo aberto, recepção multímodo, fácil sincronização, trabalha baseado no conceito multimestre, onde todos os módulos podem se tornar mestres em determinado momento e escravos em outro, além de suas mensagens serem enviadas em regime multicast, caracterizado pelo envio de toda e qualquer mensagem para todos os módulos existentes na rede, consistência de dados,

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detecção e sinalização de erros, distinção entre erros temporários e falhas permanentes. Ou seja, uma rede de baixo custo, confiável, estável, rápida, diagnostica seus próprios problemas, e, ainda corrige os erros. Merece mencionar que a transmissão de dados no par de fios segue em direção oposta cancelando qualquer tipo de ruído eletromagnético. As mensagens mais importantes têm prioridade nesse processo de arbitragem. O bit dominante possui o valor lógico baixo (0) e o recessivo um valor lógico alto (1). Não existe gasto de potencia na rede quando um bit recessivo é transmitido, apenas quando um dominante é transmitido. Isso faz com que o uso de energia seja otimizado. Permite adicionar equipamentos da rede sem precisar tirar a rede de operação (hot-plugging). Usando protocolos de alto nível podemos gerar sistemas de redes completamente reconfiguráveis. Essa interface ainda oferece proteção contra curto circuito, suportam descargas eletroestáticas, ruídos de modo comum, alta impedância de entrada, tempos de transição controlados, modos de baixa corrente, proteção térmica, ligamento e desligamento livre de pulsos.

4.3 Aplicação

Graças a esse protocolo de rede, temos em nossos carros os computadores de bordo que são capazes de monitorar o sistema, nos avisando quando é preciso trocar ou fizer manutenção de um determinado equipamento, quando as portas estão abertas, etc. Também são capazes de controlar o motor, combustão, freio ABS, ar condicionado, transmissão, suspensão, vidros elétricos, espelhos elétricos, travas elétricas, combustão, etc.

4.4 Formatos dos Frames de dados:

Figura 12: Frame de dados CAN Padrão normal

SOF – Início de quadro. Um único bit dominante. Identificador – Quanto maior a prioridade da mensagem, menor o valor lógico desse campo. RTR – Bit dominante quando requisita dados de outro(s) nodo(s) especificado(s) pelo campo identificador. IDE – Bit dominante quando o campo identificador é de tamanho normal. r0 – Reservado pela especificação. DLC – 4 bits indicando o total de bytes usados no campo de dados. Data – até 64 bits de dados. CRC – Teste de redundância cíclica de 16 bits dos dados anteriores. Utiliza um polinômio identificador simples (X

15+X

12+X).

ACK – Campo de 2 bits que permite a todo e qualquer nodo validar a mensagem. 1 bit para escrita e outro como delimitador.

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EOF – 7 bits que indicam o final do quadro e verificam erros de bit stuffing. IFS – 7 bits que indicam o tempo para o controlador disponibilizar o dado para a aplicação.

Figura 13 : Frame de dados CAN Padrão estendido

Durante o processo de transmissão, qualquer nodo pode validar a mensagem (escrevendo um bit dominante do campo ACK, mantido recessivo pelo transmissor) ou invalidar a mensagem (violando o princípio de bit-stuffing da mensagem nos campos EOF ou IFS). SRR – 1 bit recessivo que substitui o RTR convencional no datagrama estendido. IDE – Bit recessivo que indica a extensão do identificador com mais 18 bits. r1 – Bit reservado adicional. Para os datagramas CAN normais, o tamanho total varia entre 44 e 108 bits. Com os 23 possíveis bits adicionais de bit-stuffing o tamanho máximo sobe para 131 bits. Para os datagramas estendidos, o tamanho varia entre 64 e 128 bits, subindo para 156 no máximo com os 28 bits de bit-stuffing. Os bits de controle são transmitidos ainda que o pacote de dados seja vazio.

4.5 Conclusões

O CAN tem se mostrado o melhor protocolo de comunicação às aplicações de rede em veículos sejam automotivos, navais ou agrícolas, é capaz de suprir seus requisitos de robustez e a comunicação. Com a implementação do CAN, deve-se observar qual a norma diretamente relacionada à sua. Esta terá todas as informações sobre a taxa de transmissão da rede e também sobre o dicionário de dados da aplicação, entre outras. Durante a criação do hardware de uma ECU CAN, os principais pontos param serem observados estão relacionados ao micro controlador e ao transceiver. A determinação destes componentes está ligada diretamente a aplicação efetiva da ECU. O desenvolvimento do firmware da ECU é uma das mais importantes etapas na criação do sistema. É nele que serão declaradas todas as mensagens da aplicação e também para o funcionamento da ECU em relação aos sensores e atuadores do sistema. A montagem efetiva da rede (barramento), apesar de simples, envolve muitos conceitos físicos. O projetista não precisará ser físico, mas a observação de alguns conceitos básicos relacionados é primordial.

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5. PROTOCOLO NMEA

É um protocolo aberto criado por vários fabricantes em 1983, nos Estados Unidos, que tem

como objetivo realizar a comunicação entre os instrumentos de uso marítimo (GPS e chips). Esse

protocolo utiliza como meio físico mais recomendado o RS 422 em transmissão serial assíncrona, mas

também pode se utilizar do RS 232 para a comunicação com o computador e um par trançado metálico

blindado para a transmissão bidirecional de informações entre os equipamentos, a velocidade de

transmissão é de 4,8 kbits/segundo, são transmitidos 8 bits por vez sem o bit de detecção de erro (bit

de paridade).

5.1 Formatos de Dados

O padrão NMEA (National Marine Electronics Association) 0183 possui formatos específicos de sentenças de transmissão, em três tipos básicos de frases: frases de locutor, frases de proprietário e sentenças de consulta e consistem em até 82 caracteres em ASCII, cada sentença começa com o símbolo "$" e termina com um "carriage return" e começa de nova linha. O primeiro campo de dados é um campo de endereço, ao passo que o último campo de dados é um controle de soma (checksum). Todos os campos de dados são delimitados por vírgulas (,) e têm comprimento variável. Os campos nulos também são delimitados por vírgulas (,), mas não contêm nenhuma informação. O último campo de dados de uma mensagem termina com um asterisco (*) delimitador e um valor de controle de soma (checksum). Este último é exclusivo de 8-bit ou de todos os caracteres na mensagem, incluindo as vírgulas entre os campos, mas sem incluir o "$" e os delimitadores com asterisco "*". O resultado, hexadecimal, é convertido a dois caracteres ASCII (0-9, A-F) e o caracter mais significativo aparece primeiro. As sentenças são divididas em „talker sentences’, ‘proprietary sentences’ e ‘query sentences’,são das seguinte forma:

5.2 Talker Sentences (Sentenças de Comunicação)

O primeiro caractere sempre é o „$‟, em seguida há dois caracteres ASCII chamados de „talker identifier‟ e mais três caracteres chamados de „sentence identifier‟ ou identificadores de sentença, seguidos de uma série de dados ASCII separados por vírgula e os dois caracteres de <CR><LF>.

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Figura 14 : Exemplo de mensagem do tipo Talker

5.3 Proprietary Sentences (Sentenças de Propriedades)

São as sentenças criadas pelos fabricantes do equipamento e devem ser consultadas no manual, basicamente começam por „$‟ seguido de „P‟ com mais três letras, determinadas pelo fabricante, seguidos de quaisquer dados que o fabricante do equipamento julgue necessário.

5.4 Query Sentences (Sentenças de Propriedades)

É um meio de requisitar ao equipamento que envie uma sentença „Talker‟ em particular, ou seja, elas são enviadas do hardware para o GPS e fazem o GPS retornar uma sentença específica. O primeiro caractere é sempre o „$‟ e os dois caracteres seguintes são o endereço do requisitante, seguidos de dois caracteres com o endereço da requisição, finalizando com a letra „Q‟ de query. Em seguida, são enviados uma vírgula e três letras da sentença talker desejada além de <CR><LF> .

Figura 15: Exemplo de mensagem do tipo Query

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6. PROTOCOLO MODBUS

Modbus é um protocolo de comunicação de dados utilizado em sistemas de automação

industrial. Criado na década de 1970 pela Modicon. É um dos mais antigos protocolos utilizados em

redes de controladores lógicos programáveis (PLC) para aquisição de sinais de instrumentos e

comandar atuadores. A Modicon (atualmente parte do grupo Schneider Electric) colocou as

especificações e normas que definem o Modbus em domínio público. Por esta razão é utilizado em

milhares de equipamentos existentes e é uma das soluções de rede mais baratas a serem utilizadas

em Automação Industrial.

6.1 Definição

Modbus é um protocolo de mensagens que provê comunicação cliente/servidor, ou também chamada mestre/escravo entre dispositivos conectados em diferentes tipos de barramentos e redes. O protocolo MODBUS define um núcleo padrão para todas as suas mensagens, independente da comunicação utilizada, denominada Unidade de Dados do Protocolo - PDU (Protocol Data Unit). O mapeamento do protocolo Modbus em um barramento ou rede específica pode adicionar alguns campos que juntos à PDU são denominados Unidade de Dados de Aplicação - ADU (Application Data Unit).

A ADU Modbus é construída pelo mestre/cliente que inicia uma transação.

O código de função indica ao escravo/servidor qual tipo de ação tomar.

O protocolo de aplicação Modbus estabelece o formato de uma requisição iniciada pelo cliente.

O campo de função de uma unidade de dados Modbus é codificada em um byte.

Os códigos válidos estão no intervalo de 1 a 255 decimal onde o intervalo 128 a 255 é reservado para uso em respostas a exceções.

Quando uma mensagem é enviada de um mestre para um dispositivo escravo, o campo de função diz ao mestre qual tipo de ação exercer.

Opcionalmente, o campo de dados da mensagem enviada de um mestre para um cliente / escravo.

Escravo pode conter informações adicionais para auxiliar o processamento da ADU no mesmo.

Isto pode incluir itens como o tamanho do quadro de mensagem, o número de bytes de dados ou até mesmo sub-funções, que são adicionadas ao campo de dados do quadro, para definir múltiplas ações sobre o mesmo código de função. O campo de dados pode não existir (tamanho zero) em certas circunstâncias das requisições. Neste caso, o código da função sozinho especifica a ação por completo de modo que o escravo não requer nenhuma informação adicional para processar a mensagem. Se nenhum erro for encontrado na função requisitada, o receptor da ADU Modbus responderá a solicitação. Se houver uma ocorrência de erro, o campo da função retornará para o escravo contendo o código de uma das exceções a que o sistema está sujeito. O tamanho do PDU Modbus é limitado por herança pela primeira implementação do Modbus

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em Rede de Linha Serial. O seu tamanho máximo é calculado aplicando 256 bytes de dados máximo permitido para transmissão serial, e subtraindo-se os campos de endereço do mestre de 1 byte e do CRC (Cyclical Redundancy Checking) de 2 bytes. Deste modo, o PDU Modbus tem um tamanho máximo para comunicação de 253 bytes. Isto garante que os quadros transitando em RS232 ou RS485 tenham o tamanho máximo de 256 bytes.

6.2 Especificações

A especificação do protocolo Modbus também divide as PDUs em três categorias diferentes para facilitar a classificação dos mesmos de acordo com os dados que trafegam em seu interior. São eles:

• Modbus Request PDU(mb_req_PDU) - Possui os seguintes campos:

1. Function_code: É o código da função Modbus requisitada pelo Mestre e ocupa um byte;

2. Request_data: Este campo contém os dados que se deseja transmitir e pode ter de zero a 252 bytes.

Este campo é dependente do campo function_code e usualmente contém informações como referências a variáveis, número de bytes, offset de dados, código de sub-funções etc.

• Modbus Response PDU(mb_rsp_PDU) - Possui os seguintes campos:

1. Function_code: É o código da função Modbus retornada pelo escravo e ocupa 2. um byte;

3. Request_data: Este campo é similar àquele anteriormente descrito.

• Modbus Exception Response PDU( mb_excep_rsp_PDU) - Possui os seguintes campos:

1. Exception_function_code: É o código da função Modbus acrescido do valor 0x80.Este campo

ocupa um byte;

2. Request_data: Retorna os dados necessários para se identificar em qual situação a exceção se encontra.

6.3 Funções e Representações de dados em Modbus

As funções definidas no protocolo Modbus podem ser classificadas em três categorias: • Funções Públicas: São as funções pré-definidas na padronização do protocolo MODBUS. Estas funções ocupam os intervalos de 01 a 65, de 72 a 100 e de 110 a 127. • Funções Reservadas: Estão alocadas em meio as funções públicas e têm os endereços: 8, 9, 10, 13, 14, 41, 42, 90, 91, 125, 126 e 127. • Funções Genéricas: São as funções definidas pelo usuário, e que não tem padronização na norma.

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Elas compreendem todos os outros endereços não mencionados anteriormente, exceto o “0”, que é um código de função inválido. O protocolo de Linha Serial Modbus-RTU é do tipo mestre escravo onde somente um mestre por vez pode ser conectado no barramento, enquanto que até 247 nós escravos podem ser ligados a este barramento.

6.4 Modos de Comunicação

A comunicação Modbus - RTU é sempre iniciada pelo mestre, enquanto que os nós escravos nunca transmitirão dados sem receber uma solicitação do nó mestre. Devido a esta regra, os nós escravos também nunca se comunicam um com o outro. Ao mestre é permitido iniciar somente uma transação por vez, seja ela em qualquer um dos modos de transmissão. No modo RTU (Remote Terminal Unit), cada byte da mensagem contém dois caracteres de 4 bits hexadecimal. A principal vantagem deste modo é que a grande densidade de caracteres permite um melhor processamento do que o modo ASCII para a mesma taxa de transmissão. As mensagens são transmitidas em um fluxo contínuo de caracteres para assegurar uma correta transação, o intervalo entre bytes para que a mensagem seja considerada completa ou perdida é determinado de acordo com a velocidade de transmissão escolhida. O formato define que para cada 8 bits de informação RTU, são utilizados 3 bits adicionais para formalizar a comunicação serial. Deste modo, cada byte RTU conterá em suma 11 bits:

• 1 start bit; • 8 bits de dados (menos significativo enviado primeiro); • 1 bit de paridade; • 1 stop bit.

A comunicação é padrão em 19,2 Kbps, porém o protocolo permite que a comunicação se dê em velocidades que variam de 9,6K bps a 10 Mbps, ficando esta escolha a cargo do usuário.

6.5 Padrões de ligações

As altas velocidades e grandes distâncias possíveis de serem alcançadas com a especificação EIA/TIA-485 se deve principalmente ao modo de transmissão diferencial adotado para tráfego dos sinais seriais, no qual o valor lógico de um bit é determinado com base na diferença entre os sinais presentes nos dois fios de transmissão de dados, denominados D0 e D1.Para a ligação dos mestres e escravos na rede existem duas configurações possíveis no sistema Modbus/485 sendo elas:

• Ligação RS-485 a 2 fios - O mesmo cabo é utilizado pelo mestre e pelos escravos para envio e recebimento dos dados sendo necessário controle de fluxo local para determinar a direção do dado - half-duplex.

• Ligação RS-485 a 4 fios - Dedica uma ligação para envio de dados ao mestre e outra para

recebimento de dados pelos escravos permitindo comunicação simultaneamente para os dois lados - full-duplex.

• 32 escravos são permitidos em qualquer sistema RS-485/Modbus sem repetidores, mas

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dependendo das características da rede este número pode ser maior;

• É necessário terminadores no barramento RS485/Modbus;

• O tamanho máximo do cabo varia com a capacitância da rede, do tipo de ligação, da velocidade de transmissão, do tipo de cabo, do nível de ruído e de outros fatores.

• O tamanho máximo é de 1200m para comunicação a 9,6 Kbps e este valor diminui à proporção

que a taxa de transmissão é aumentada.

• As derivações não devem ser maiores que 20 metros.

• Preferencialmente todo o sistema deve estar ligado a um ponto de terra único;

• Os terminadores podem variar de 120ohms/0.5W a 150ohms/0.5W no final de cada um dos barramentos;

• Quando se deseja cabos polarizados, um capacitor de 1nF 10V em serie com um resistor de

120/0.25W é altamente recomendado.

• Cabos polarizados são recomendados na utilização do Modbus / RS485;

• Em caso de polarização dos fios, para reduzir o ruído quando não houver transmissão de dados, faz-se necessário a introdução de resistores nos cabos diferenciais de transmissão D1 e D0.

• O valor destes resistores deve estar entre 450 e 650 ohms.

• Os conectores para conexão dos mestres e escravos no barramento podem ser do tipo DB9 ou

RJ45 tanto para ligação a dois fios quanto para quatro fios. Na comunicação mestre/escravo não há colisão de dados, pois o mestre pode fazer somente uma requisição por vez e os escravos são passivos, somente respondendo às solicitações do mestre. A rede multiponto é possibilitada pelo padrão EIA/RS-485 que permite um máximo de 32 nós sem o uso de repetidores.

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REFERÊNCIAS

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