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Índice

1.1 - Introdução...........................................................................................................................2

1.2 - Modbus...............................................................................................................................3

1.2.2 - Variações...................................................................................................................4

1.2.2.1 - Modbus RTU....................................................................................................4

1.2.2.2 - Modbus ASCII..................................................................................................5

1.3 - PROFIBUS.........................................................................................................................6

1.3.1 - PROFIBUS DP........................................................................................................7

1.3.1.2 - Versões do PROFIBUS DP..............................................................................7

1.3.1.2.1 - O DP-V0................................................................................................7

1.3.1.2.2 - O DP-V1................................................................................................8

1.3.1.2.3 - O DP-V2................................................................................................9

1.3.2 - PROFIBUS PA..................................................................................................10

1.4 - Conclusão.........................................................................................................................12

1.5 - Referências.......................................................................................................................13

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1.1 - Introdução

Em meados de 1960 o sinal analógico de 4-20mA (miliampére) foi introduzido para realizar o

controle de dispositivos industriais. Aproximadamente em 1980, os sensores inteligentes

começaram a ser desenvolvidos e implementados usando um controle digital. Isso motivou a

necessidade de integrar vários tipos de instrumentações digitais em campos de comunicações,

visando otimizar a performance dos sistemas. Dessa forma se tornou óbvio que um padrão era

necessário para formalizar o controle dos dispositivos inteligentes. Tal tecnologia é usada na

indústria para substituir o sinal analógico de 4-20 mA (miliampére). O termo fieldbus abrange

muitos diferentes protocolos para redes industriais. Neste trabalho trataremos dos protocolos

Modbus, Profibus DP e Profibus PA.

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1.2 - 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.

O modbus utiliza o RS-232, 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).

Figura 1 - Mestre e escravos

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

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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).

Exemplo-1: Se o PLC precisa ler as 10 primeiras entradas analógicas (do endereço 0000 ao

0009) no módulo 2. 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):

endereço comando end. dos registros quant. de registros CRC

02 03 03 00 00 0A 2 caracteres

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.

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.

1.2.2 - Variações

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

ASCII.

1.2.2.1 - 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).

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1.2.2.2 - 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.

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1.3 - PROFIBUS

PROFIBUS (acrônimo de Process Field Bus) é o tipo mais popular sistema de comunicação

em rede Fieldbus, com mais de 28 milhões de dispositivos instalados até o fim de 2008. O

PROFIBUS foi desenvolvido em 1987 por Johan Sartwish Wilman, em São Petersburgo.

Na Europa, as redes PROFIBUS dominam mais de 60% do mercado de automação industrial.

Existem três diferentes versões de PROFIBUS:

PROFIBUS DP (Decentrallised Periphery) esse protocolo foi a primeira versão criada.

Indicada para o chão de fábrica, onde há um volume de informações grande e há a

necessidade de uma alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados

num tempo adequado.

PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) esta versão é uma evolução do

Profibus DP e destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram os

PLCs). O FMS é tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial,

mesmo que isso não seja indicado.

PROFIBUS PA (Process Automation) é a versão mais moderna do Profibus. Uma

característica interessante deste protocolo é que os dados podem trafegar pela mesma

linha física da alimentação DC, o que economiza tempo de instalação e cabos e diminui o

custo de sua instalação. Sua performance é semelhante ao DP. Esse protocolo é

intrinsicamente seguro, podendo ser usado em áreas classificadas.

PROFIBUS oferece diferentes protocolos de comunicação que de acordo com a aplicação,

pode-se utilizar como meio de transmissão qualquer um dos seguintes padrões: RS-485, IEC

61158-2 ou Fibra Ótica.

Esse padrão é mantido, atualizado e comercializado pela PROFIBUS International, uma

organização sem fins lucrativos administrada de Karlsruhe na Alemanha.

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1.3.1 - PROFIBUS DP

O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi

otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e

equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle onde se tem destacado o

acesso de I/Os distribuídos. É utilizada em substituição a sistemas convencionais 4 a 20 mA

ou HART ou em transmissão com 24 Volts. Se utiliza do meio físico RS485 ou fibra ótica.

Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente

utilizado em controles com tempo crítico.

Atualmente 90% das aplicações envolvendo escravos PROFIBUS, utilzam-se do PROFIBUS

DP. Esta variante é disponível em 3 versões: DP-V0(1993), DP-V1(1997) e DP-V2(2002).

1.3.1.2 - Versões do PROFIBUS DP

1.3.1.2.1 - O DP-V0 provê funcionalidades básicas do DP, incluindo a troca de dados cíclicos

entre estações , módulos e canais e diagnósticos. Nesta versão um mestre DP lê e escreve

ciclicamente em seus escravos. Utiliza-se do meio físico RS485 ou fibra ótica, onde pode

chegar à distancias de até 80Km. Funções de diagnósticos facilitam a localização de falhas e

são transmitidas ciclicamente. O PROFIBUS DP suporta a implementação mono-mestre e

multi-mestres, onde um máximo de 126 equipamentos podem estar conectados ao barramento

e cada escravo pode enviar ou receber até 244 bytes de dados.

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Figura 2 - Comunicação multi-mestre

Figura 3 - Comunicação mestre/escravo

Tipos de dispositivos

Cada sistema DP pode conter três tipos diferentes de dispositivos:

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1) Mestre DP Classe 1 (DPM1)

É um controlador principal que troca informações ciclicamente com os escravos. Os

controladores lógicos programáveis (PLCs) são exemplos destes dispositivos mestres.

2) Mestre DP classe 2 (DPM2)

São as estações de engenharia utilizadas para configuração, monitoração ou sistemas de

supervisão, como por exemplo, o Simatic PDM.

3) Escravo

Um escravo DP é um dispositivo periférico, tais como dispositivos de I/O, atuadores, IHM,

válvulas,transdutores, Há também dispositivos que tem somente entrada, somente saída ou

uma combinação de entradas e saídas.

1.3.1.2.2 - O DP-V1 provê funcionalidades mais avançadas do DP, principalmente em termos

de automação de processos, em particular a comunicação de dados acíclicos utilizada na

parametrização, operação, visualização, supervisão dos equipamentos de campo em conjunto

com a comunicação cíclica.A comunicação acíclica é executada em paralelo à comunicação

cíclica, porém com prioridade inferior.

As funções DP estendidas possibilitam funções acíclicas de leitura e escrita e reconhecimento

de interrupção que podem ser executadas paralelamente e independentes da transmissão

cíclica de dados. Isto permite que o usuário faça acessos acíclicos dos parâmetros via mestre

classe 2 e que valores de medida de um escravo possam ser acessados por estações de

supervisão e de diagnóstico.

Atualmente estas funções estendidas são amplamente usadas em operação online dos

equipamentos de campo PA pelas estações de engenharia. Esta transmissão tem uma

prioridade mais baixa do que a transferência cíclica de dados.

1.3.1.2.3 - O DP-V2 provê funcionalidades mais sofisticadas, principalmente em

termos de tecnologia de drives e sistemas de segurança, assim como comunicação

entre escravos, modo isócrono e gerenciamento de clock.

A comunicação escravo-escravo elimina o “overhead” causado pela necessidade de um mestre

no sistema, sendo que um escravo pode agir como “Publisher” e a resposta do escravo pode

ser direcionada aos demais escravos que agem como “Subscribers”.Isto pode reduzir em até

90% o tempo de resposta, dando mais flexibilidade às aplicações críticas em tempo. O modo

isócrono permite a sincronização de clock entre mestres e escravos, dando um maior controle

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no gerenciamento de mensagens no barramento, onde este gerenciamento tem a função real-

time controlando tempos e sincronizando estações, facilitando o tracking de eventos.

Figura 4 - Comunicação publisher/subscriber

1.3.2 - PROFIBUS PA

A rede PROFIBUS PA se adéqua a requerimentos especiais de automação de processos por

possuir técnicas de transmissão intrinsecamente seguras, dispositivos de campo alimentados

pelo mesmo cabo de dados, transmissão de dados confiável e interoperabilidade. Dessa forma

atende aos requisitos da indústria química para uso em áreas potencialmente explosivas,

também conhecidas como áreas classificadas. A IEC 61158-2 determina que o meio físico do

PROFIBUS PA deve ser um par de fios trançados. As propriedades de um barramento de

campo são determinadas pelas condições elétricas do cabo utilizado. Embora a IEC 61158-2

não especifique tecnicamente o cabo, o cabo tipo A é altamente recomendado, a fim de

garantir as melhores condições de comunicação e distâncias envolvidas.

A comunicação do PA é baseada no DPV1 e é implementada como um sistema parcial

integrado a um sistema de comunicação DP de nível mais alto. O PROFIBUS PA e o

PROFIBUS DP usam um protocolo de comunicação idêntico e a conexão dos dois é feita

usando um dispositivo acoplador simples.

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Figura 5 - Exemplo de Arquitetura com Profibus PA.

Um estudo conduzido pela NAMUR (Comitê de padronização da industria de controle e

instrumentação) mostrou que comparada a sistemas convencionais, PROFIBUS PA apresenta

economia de mais de 40% em planejamento, cabeamento, implantação e manutenção.

Figura 6 - Redução de custo com a implantação do PROFIBUS PA

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1.4 - Conclusão

A substituição do uso do sinal analógico de 4-20mA aconteceu devido a evolução tecnológica. Com a evolução dos sinais analógicos para os digitais surgiu a necessidade de criar um padrão de comunicação entre os dispositivos, com a finalidade de facilitar o uso dos equipamentos e possibilitar o uso do mesmo padrão em qualquer lugar no mundo e a utilização de equipamentos de diferentes fabricantes e até padrões na mesma planta.Os próprios sistemas digitais já evoluíram, sendo criados novos padrões que possibilitam, por exemplo, comunicação em alta velocidade, para suportar altos volumes de dados, e utilização em áreas com risco de explosão.

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1.5 - Referências:

http://pt.wikipedia.org/wiki/Fieldbus

http://pt.wikipedia.org/wiki/Modbus

http://pt.wikipedia.org/wiki/Profibus

http://www.profibus.org.br/

http://www.profibus.com/

http://www.samson.de/enindex.htm