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CEFET-RN / Curso Superior de Tecnologia em Automao Industrial / Redes Industriais Aula 06

Famlia de Protocolos da Allen Brad ley

Protocolos AbertosEthernet/IPControlNetDeviceNetFoundation Fieldbus

Controlar, Configurar e Coletar

Uso do CIP Control and Information ProtocolArquitetura Produtor/Consumidor

Protocolos ProprietriosRIO : Universal Remote I/ ODH-485 : Data HighWay 485DH+ : Data HighWay Plus

1. A Allen Bradley, uma empresa do grupo Rockwell Automation, ofereceuma arquitetura integrada de rede viabilizando um eficiente fluxo deinformaes e dados em todos os nveis da automao industrial.

2. So disponibilizados protocolos abertos para os nveis dedispositivos, controle e informao com possibilidade de combinaessem sacrifcio de desempenho.

3. Protocolo aberto significa que as especificaes e tecnologia no sogerenciadas ou controladas pela Rockwell Automation. Estas soluesso um avano dos antigos protocolos de comunicao proprietriosda Rockwell.

4. Com esta arquitetura possvel:

Controlar : Estipulando transferncia de dados em vriosmtodos com selecionveis taxas de atualizao de E/S,entradas compartilhadas, mensagens multicast e ponto a pontoe intertravamentos entre controladores.

Configurar : Viabilizando a configurao de todos osdispositivos da rede de qualquer localizao.

Coletar : Estipulando uma soluo para visualizao de dadosem IHMs, com grficos de tendncias e anlises de dados paramanuteno e soluo de problemas.

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Famlia de Protocolos da Allen Brad ley

Information

Discrete Device

Automation and Control

Process Device

DH+

DH485

RIO

1. A figura mostra trs nveis de um sistema de automao industrialonde podemos localizar as solues propostas pela Rockwell.

2. No nvel inferior, o cho de fbrica, o protocolo DeviceNet possibilitaa interligao de dispositivos com informaes discretas enquanto quea instrumentao de processo faz uso do Foundation Fieldbus.

3. No nvel intermedirio, os CLPs, IHMs e PCs fazem uso do protocoloControlNet, onde antes a Rockwell tinha como soluo os protocolosData Highway Plus e Data Highway 485.

4. No nvel superior ou de informao proposta a utilizao doprotocolo Ethernet/IP.

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DeviceNet Caracterst icas

Rede para interligao de:Sensores e atuadores ON/ OFFChaves de partida eletrnicasControladores Lgicos ProgramveisInterfaces Homem Mquinas.

Padro abertoMant ido pela associao ODVA.

Baseado no protocolo CAN.Definio do meio fsico.Especificao da camada de aplicao

1. A rede DeviceNet, lanada em 1994, derivada da rede CAN,adaptada para operar ao nvel de equipamentos desde os mais simplescomo sensores on/off e mdulos I/O at os mais complexos, comointerfaces homem mquinas e inversores de freqncia para controlede velocidade de motores.

2. A rede DeviceNet possui protocolo aberto, tendo um expressivo nmerode fabricantes ofertando equipamentos, regulamentados via aassociao OVDA (Open DeviceNet Vendor Association www.odva.org), organizao independente que tem o objetivo dedivulgar, padronizar e difundir a tecnologia visando seu crescimentoglobal.

3. Coube a especificao do DeviceNet definir o meio fsico e conectorese definir a camada de aplicao.

4. O DeviceNet tem todos os ingredientes para o sucesso, chipsdisponveis (variaes do CANbus), um forte patrocinador com ummercado consolidado, software de gerenciamento da rede e umapoderosa associao para promover o produto.

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DeviceNet e o Modelo OSI

SemiDevices

PneuValve

ACDrives

PositionCntrllrs

OtherProfiles

Application Object Library

CIP Application Layer

Explicit, I/O, Routing

DeviceNetDLL

Transport

ControlNetDLL

Transport

Future

encapsulation

UPD TCP

IP

DeviceNetPhysical

Layer

ControlNetPhysical

Layer

EthernetPhysical

Layer

Future

ATM, FirewireUSB, etc.

CIP

ApplicationLayer

UserLayer

Transportand Data Link

Layer

PhysicalLayer

1. A figura mostra a relao entre o protocolo DeviceNet e o modelo OSI.

2. As camadas inferiores so baseadas no CAN, enquanto que as

superiores fazem uso do protocolo CIP.

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DeviceNet Meio Fs ico

Cabo Grosso

Cabo Fino

Cabo Chat o

1. A rede DeviceNet utiliza dois pares de fios, um deles para acomunicao e o outro para alimentao em corrente contnua dosequipamentos conectados a rede. Existe ainda uma blindagem externa

dos pares, via fita de alumnio e a blindagem geral do cabo via malhatranada com fio de dreno.2. As cores dos fios so padronizadas , com o par de alimentao em

vermelho (V+) e preto (V-) e o par de comunicao com branco para osinal chamado de CAN High e azul para o CAN Low.

3. Existem hoje 3 cabos disponveis, o cabo tronco tambm conhecidopor cabo grosso, que tem dimetro externo de 12,5 mm, outrochamado de cabo fino com dimetro externo de 7 mm e um terceirochamado flat que possui um perfil chato para ser utilizado porconectores especiais com a tecnologia de perfurao visando reduzir otempo de montagem.

4. Os sinais de comunicao utilizam a tcnica de tenso diferencialpara os nveis lgicos, visando diminuir a interferncia eletromagntica,que ser igual nos dois fios e aliada a blindagem dos cabos, tende aconservar a integridade da informao.

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DeviceNet - Topologia

Topologia fsica em Barramento.Linhas tronco e derivaes.

Conexo de at 64 elementos.Taxas de transmisso de 125 a 500 kbps.Resistores de terminao de 121 ohms.

1. A rede DeviceNet admite somente a topologia com um cabo tronco(principal) e derivaes executadas obrigatoriamente do cabo principal.

2. A rede admite 64 equipamentos ativos, endereados de 0 a 63,porm sugerido a utilizao de no mximo 62 equipamentos,deixando os endereos 62 e 63 livres, sendo o 62 reservado para ainterface de comunicao com o micro de configurao da rede e oendereo 63 para conexo de novos instrumentos, visto que este oendereo default que os equipamentos saem de fbrica.

3. A tabela ilustra as restries quanto ao comprimento dos cabos emfuno da taxa de transmisso adotada para a troca dos dados na rede.

4. A rede DeviceNet requer resistores de terminao montados nosdois extremos do cabo principal da rede, que tem como funo evitar areflexo dos sinais, e deve ser montado com resistores de 121?

watt, conectado entre os dois fios do par de comunicao (azul ebranco).

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DeviceNet Aquisio de Dados

Polling, Strobed, Cclico e Mudana de Estado

pollingpolling

a cada 500msa cada 500mscclicocclico

cclicocclico

mudana-de-estado mudana-de-estado

pollingpolling

E/S AnalgicasE/S Analgicas

mudanamudana--dede--estadoestado

E/S DigitaisE/S Digitais

a cada 1000msa cada 1000ms

1. O conceito de produtor - consumidor foi adotado pela rede DeviceNet,sendo que um elemento produz a informao no barramento e os elementosque necessitam desta informao a consomem, diferentemente da maioria

dos protocolos em que a comunicao nica e exclusivamente entre doiselementos.

2. O conceito produtor - consumidor visa el iminar troca de informaesdesnecessrias, e utiliza mtodos de comunicao apropriados tais como:polled, strobed, change-of-state e cyclic.

3. P olled message: Neste mtodo o mestre, no caso o carto scanner da redemontado no controlador, gera uma mensagem de comando direcionada a umdeterminado escravo (ponto-a-ponto) e a resposta do escravo direcionada aomestre, portanto podemos perceber que para cada escravo o mestre gera umarequisio individual e recebe um pacote de informaes do respectivoescravo.

4. Strobed message: Neste mtodo o mestre gera uma requisio tipomulticast no barramento da rede e todos os escravos com comunicao

strobed respondem um aps o outro, portanto temos uma requisio geral domestre e respostas individuais de cada escravo strobed;5. Cyclic message: Neste mtodo o escravo atualiza seus dados no mestre da

rede em intervalos de tempo pr-definidos, e este mtodo tem grandeutilizao em aplicaes onde a variao de determinado ponto no necessitade atualizao instantnea;

6. Mudana de Estado (Change Of State): Neste caso o escravo ir enviarseus dados ao mestre somente quando houver mudana de estado de suasentradas, e quando o escravo configurado para trabalhar com mtodo COSele tem um recurso de comunicao cclica para indicar ao mestre que ele estna rede e funcionando corretamente, sendo este recurso conhecido comoheartbreaker.

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Viso Geral da Contro lNet

HistriaDesenvolvido pela Allen Bradley em 1995.Protocolo aberto em 1996 controlado pela ControlNetInternational

CaractersticasRede nica para mdulos de E/ S, comunicao eprogramao (upload/ download) de CLPsModelo produtor/ consumidor.

Repetibilidade e Determinism o.Taxa de 5Mbps.Capacidade para 99 ns.Substituta dos protocolos Data Highway

1. A necessidade de uma rede de controle que permita uma previsoconfivel de quando os dados sero entregues e assegure que ostempos de transmisso sejam constantes e no imunes a conexo edesconexo de dispositivos na rede, levaram ao desenvolvimento daControlNet.

2. Trata-se de uma rede para o nvel intermedirio, ou de controle,com transferncia de dados em tempo real, provendo transportes dedados crticos de E/S e mensagens, incluindo o upload e download deprogramao e configurao de dispositivos.

3. Usufruindo totalmente do modelo produtor consumidor , ControlNetpermite que mltiplos controladores acessem e controlem entradas esadas em uma mesma rede. Isto uma vantagem significativa sobreoutras redes, onde somente um mestre detm o controle do

barramento.4. ControlNet permite tanto o multicast de dados quanto a comunicao

ponto a ponto, reduzindo o trfego no barramento e aumentando odesempenho do sistema.

5. ControlNet apresenta determini smo e repetibilidade , necessidadescrticas para assegurar um desempenho em tempo-real.

6. Determinismo a habilidade de prever com confiabilidade quandoos dados sero entregues.

7. Repetibilidade assegura que os tempos de transmisso soconstantes e imunes conexo e desconexo de dispositivos na rede.

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ControlNet e o Modelo OSI

SemiDevices

Pneu

Valve

AC

Drives

Position

Cntrllrs

Other

Profiles

Application Object Library

CIP Application LayerExplicit, I/O, Routing

DeviceNet

DLLTransport

ControlNetDLL

Transport

Futureencapsulation

UPD TCP

IP

DeviceNetPhysical

Layer

ControlNetPhysical

Layer

EthernetPhysical

Layer

Future

ATM, FirewireUSB, etc.

CIP

ApplicationLayer

User

Layer

Transport

and Data LinkLayer

PhysicalLayer

1. A figura mostra a relao entre o protocolo ControlNet e o modeloOSI.

2. As camadas inferiores so especificadas pelo protocolo ControlNet,enquanto que as superiores tambm fazem uso do protocolo CIPassim como a DeviceNet.

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ControlNet Camada Fsica

Concebida com umarobusta rede decomunicao paraaplicaes industriaisMeios Fsicos

Cabo coaxial RG 6/ U 75com conector BNC.Fibra tica

Redundncia

1. Ao ter sido concebida visando o uso industrial a ControlNet procurouusar os meios fsicos mais confiveis, ou seja, cabo coaxial e fibratica e ao mesmo tempo com ampla disponibilidade no mercado.

2. recomendado o cabo coaxial tipo RG-6 com quatro malhas deproteo bastante usado nas instalaes de televiso a cabo.

3. A redundncia de cabeamento opcional, devendo ser usada quandoa disponibilidade do sistema seja essencial ao permitir que a redecontinue funcionando na presena de uma eventual falha em um cabo.

4. A alimentao eltrica dos dispositivos deve ser feito porcabeamento em separado.

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ControlNet Camada Fsica

TopologiasBarramento, estrela, rvore ou qualquer mistura.Distncia de 1km sem repetidores.Distncia de 5km com repetidores.

1. A topologia fsica o barramento com derivaes (taps) permitidasem qualquer posio.

2. Com repetidores possvel montar topologias em rvore e estrelaconforme mostram as figuras do slide.

3. A distncia de 1,000m com cabo coaxial s pode ser alcanada emuma rede com dois ns.

4. Com 32 ns possvel chegar a 500m. Com 48 ns possvel chegar a250m.

5. Com o uso de repetidores e fibra tica possvel chegar a 30km derede.

6. A quantidade de repetidores limitada pelo atraso de propagaodos sinais.

7. A quantidade de ns limitado em 99, ou 48 em um mesmosegmento sem repetidores.

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ControlNet Camada de Enlace

Como a Contro lNet Funciona

Servios da Camada de Enlace

In tervalo de Atual izao da Rede

Servi o A ge nda do Ser vi o N o A gen da do Se rv i o Man ut en o

Acesso M l t i p lo Concor ren te no Domin io do Tempo

1. O acesso a rede controlado por uma algoritmo de diviso de tempochamadoAcesso Mlt iplo Concorrente no Domnio do Tempo ouCTDMA. Este determina a oportunidade de um determinado ntransmitir em cada intervalo de acesso a rede. A largura do intervalo deacesso a rede selecionado pelo usurio atravs da seleo de umparmetro chamado NUT (Network Update Time).

2. Este parmetro tem valor mnimo de 2ms podendo chegar a 50ms.

3. Informaes cr t icas so enviadas durante a parcela de tempodestinada ao servio agendado de uma forma determinstica e comrepetibilidade.

4. Informaes que podem ser enviadas sem restries de tempo,como dados de configurao, so enviadas durante os intervalos detempo destinado aos servios no-agendados.

5. O intervalo de tempo destinado aos servios de manuteno chamado de guardband e aloca um intervalo de tempo paranecessidades eventuais de uso da rede.

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Viso Geral da EtherNet IP

HistriaCriado a partir de esforos para encapsular osprotocolos DeviceNet e ControlNet em uma rede comprotocolo Ethernet/ TCP-IP.Mant ida pela associao ODVA

ObjetivosFornecer um servio de comunicao de dadosindustriais usando o hardware e cabeamento ethernet

usufruindo da sua velocidade e baixo custo.

1. EtherNet/IP, onde IP significa Industrial Protocol , foi criada pelosesforos combinados da ODVA, ControNet International e Rockwell

Automation. Os esforos anteriores da Rockwell para encapsular oprotocolo ControlNet no protocolo ethernet/TCP-IP foi a base para oseu desenvolvimento.

2. A EtherNet/IP foi projetada para implementar a transferncia de dadoseficientemente com o protocolo CIP na camada de aplicao usandoa estrutura largamente utilizada dos protocolos Ethernet e TCP/IP.

3. Pela sua larga utilizao e disponibilidade de fornecedores, o custo dohardware da Ethernet se torna mais acessvel que o da ControlNet.

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EtherNet/ IP e o Modelo OSI

1. Os protocolos DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP tem em comum o uso doprotocolo CIP (Communications and Information Protoco l) na camada deaplicao.

2. No CIP, cada dispositivo de rede representa ele mesmo como uma srie deobjetos. Cada objeto simplesmente um agrupamento de valores de dadosrelacionados em um dispositivo.

3. Por exemplo, cada dispositivo CIP tem a necessidade de colocar um objetoIdentidadedisponvel na rede. O objeto identidade contem dados relativosa sua identificao chamado de atributos. Os atributos para este objeto so aidentificao do fabricante, data de fabricao, nmero de srie e outros dadosde identificao.

4. O CIP especifica quais valores ou atr ibutos devem estar presentes e quaisdevem ser disponibilizados aos demais dispositivos.

5. O objeto identidade um exemplo de um objeto essencial, mas h trs tipos

de objetos:6. Objetos Essenciai s: Esto presentes em todos os dispositivos. So exemplos:

O objeto Identidade, j citado, o objeto Rede, que contm os dados deconexo fsica com a rede como o MacID e endereo IP, e ainda o objetoRoteador de Mensagens.

7. Objetos de Ap li cao: So os objetos que definem o dado encapsulado pelodispositivo. Estes objetos so especficos ao tipo de dispositivo e funo. Porexemplo, um objeto Motor em uma chave de partida tem atributosdescrevendo a freqncia, corrente nominal e potncia do motor. Um objetoEntrada Analgica em um mdulo de E/S tem atributos que definem o tipo,resoluo e valor de corrente para a entrada analgica.

8. Objetos Espec f icos: So os objetos no encontrados em um perfil para umaclasse de dispositivos e criados especificamente para um determinadodispositivo.

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Contro l and Information Protocol CIP

Trfego de Informao estabelecida uma conexo exp licita, ponto -a-pont opara transmiti r grandes quantidades de dados.Adequada para operaes que requerem maisconfiabilidade do que desempenho em tempo real.Usufruto da confiabilidade inerente do protocolo detranspor te TCP

Trfego de dados de E/S em tempo real

estabelecida uma conexo implcita, usando oprotocolo UDP para transmitir pequenas quant idades dedados referentes as atualizaes dos dados de E/ S.

1. Em adio a especificao de como os dados dos dispositivos sorepresentados na rede, o protocolo CIP especifica diferentes meios nosquais os dados podem ser acessados tais como cclico, polled emudana, conforme descrio efetuada no estudo da DeviceNet.

2. O protocolo CIP, a partir do tipo de dado e do mecanismo detransferncia adotado, decide qual o protocolo da camada detransporte ser adotado: TCP ou UDP.

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1. A figura demostra o CIP solicitando servios dos protocolos dacamada de transporte do TCP/IP, sendo o UDP para controle de E/Sem tempo real e oTCP para mensagens explicitas usadas emconfigurao dos dispositivos.

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Arquitetura Integrada

SLC5/03

ALLEN-BRADLEY

MagnewH one yw e l l

A L L E N - B R A D L E Y

7 8 9

4 5 6

1 2 3

. 0 -

< - - - - - - - - - - - - -- - - - '

^

v

MagnewH one yw e l l

A L L E N - B R A D L E Y

7 8 9

4 5 6

1 2 3

. 0 -

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^

v

SLC5/03

ALLEN-BRADLEY

CCMiCCMi

CCMi

CCMi

ControlNet Fieldbus H1DeviceNetEthernet

1. A figura mostra um exemplo de arquitetura integrada de um sistemade automao utilizando as redes da Rockwell.

2. Pode-se observar a existncia de gateways entre ControlNet eDeviceNet, e ainda entre ControlNet e Foundation Fieldbus. Inclusivepermitindo a configurao de dispositivos Foundation Fieldbus dequalquer ponto da rede ControlNet.

3. Percebe-se que h uma forte tendncia de fazer com que oEthernet/IP ocupe o espao da ControlNet na parte superior dosistema (interligao de CLPs e PCs), devido a sua maior velocidade emenor custo para os mesmos dispositivos.

4. Na parte inferior do sistema (Interligao entre CLPs e mdulos de E/S)o DeviceNet pode cumprir o papel da ControlNet.

5. Portanto, apesar das claras evidncias da eficincia da ControlNet, nose recomenda o seu uso em novas instalaes, onde o conjunto

Ethernet/IP e DeviceNet possa ser uma soluo.

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