Protocolos industriais Allen Bradley

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

Família de Protocolos da Allen Bradley
Protocolos Abertos Protocolos Proprietários
Ethernet/IP RIO : Universal Remote I/O
ControlNet DH-485 : Data HighWay 485
DeviceNet DH+ : Data HighWay Plus
Foundation Fieldbus
Controlar, Configurar e Coletar
Uso do CIP – Control and Information Protocol
Arquitetura Produtor/Consumidor

1. A Allen Bradley, uma empresa do grupo Rockwell Automation, oferece
uma arquitetura integrada de rede viabilizando um eficiente fluxo de
informações e dados em todos os níveis da automação industrial.
2. São disponibilizados protocolos abertos para os níveis de
dispositivos, controle e informação com possibilidade de combinações
sem sacrifício de desempenho.
3. Protocolo aberto significa que as especificações e tecnologia não são
gerenciadas ou controladas pela Rockwell Automation. Estas soluções
são um avanço dos antigos protocolos de comunicação proprietários
da Rockwell.
4. Com esta arquitetura é possível:
• Controlar: Estipulando transferência de dados em vários
métodos com selecionáveis taxas de atualização de E/S,
entradas compartilhadas, mensagens multicast e ponto a ponto
e intertravamentos entre controladores.
• Configurar: Viabilizando a configuração de todos os
dispositivos da rede de qualquer localização.
• Coletar: Estipulando uma solução para visualização de dados
em IHMs, com gráficos de tendências e análises de dados para
manutenção e solução de problemas.

1


Família de Protocolos da Allen Bradley

Information

DH+
Automation and Control
DH485
RIO

Discrete Device Process Device

1. A figura mostra três níveis de um sistema de automação industrial
onde podemos localizar as soluções propostas pela Rockwell.
2. No nível inferior, o chão de fábrica, o protocolo DeviceNet possibilita
a interligação de dispositivos com informações discretas enquanto que
a instrumentação de processo faz uso do Foundation Fieldbus.
3. No nível intermediário, os CLPs, IHMs e PCs fazem uso do protocolo
ControlNet, onde antes a Rockwell tinha como solução os protocolos
Data Highway Plus e Data Highway 485.
4. No nível superior ou de informação é proposta a utilização do
protocolo Ethernet/IP.

2


DeviceNet – Características
Rede para interligação de:
Sensores e atuadores ON/OFF
Chaves de partida eletrônicas
Controladores Lógicos Programáveis
Interfaces Homem Máquinas.
Padrão aberto
Mantido pela associação ODVA.
Baseado no protocolo CAN.
Definição do meio físico.
Especificação da camada de aplicação

1. A rede DeviceNet, lançada em 1994, é derivada da rede CAN,
adaptada para operar ao nível de equipamentos desde os mais simples
como sensores on/off e módulos I/O até os mais complexos, como
interfaces homem máquinas e inversores de freqüência para controle
de velocidade de motores.
2. A rede DeviceNet possui protocolo aberto, tendo um expressivo número
de fabricantes ofertando equipamentos, regulamentados via a
associação OVDA (Open DeviceNet Vendor Association –
www.odva.org), organização independente que tem o objetivo de
divulgar, padronizar e difundir a tecnologia visando seu crescim ento
global.
3. Coube a especificação do DeviceNet definir o meio físico e conectores
e definir a camada de aplicação.
4. O DeviceNet tem todos os ingredientes para o sucesso, chips
disponíveis (variações do CANbus), um forte patrocinador com um
mercado consolidado, software de gerenciamento da rede e uma
poderosa associação para promover o produto.

3


DeviceNet e o Modelo OSI
Semi Pneu AC Position Other
Devices Valve Drives Cntrllrs Profiles
User
Layer

CIP
Application Object Library

Application CIP Application Layer
Layer Explicit, I/O, Routing

DeviceNet encapsulation
Transport ControlNet
DLL DLL Future
and Data Link UPD TCP
Layer Transport Transport
IP

DeviceNet ControlNet Ethernet
Physical Physical Physical Physical Future
Layer Layer Layer Layer

ATM, Firewire
USB, etc.

1. A figura mostra a relação entre o protocolo DeviceNet e o modelo OSI.
2. As camadas inferiores são baseadas no CAN, enquanto que as
superiores fazem uso do protocolo CIP.

4


DeviceNet – Meio Físico
Cabo Grosso

Cabo Fino

Cabo Chato

1. A rede DeviceNet utiliza dois pares de fios, um deles para a
comunicação e o outro para alimentação em corrente contínua dos
equipamentos conectados a rede. Existe ainda uma blindagem externa
dos pares, via fita de alumínio e a blindagem geral do cabo via malha
trançada com fio de dreno.
2. As cores dos fios são padronizadas, com o par de alimentação em
vermelho (V+) e preto (V-) e o par de comunicação com branco para o
sinal chamado de CAN High e azul para o CAN Low.
3. Existem hoje 3 cabos disponíveis, o cabo tronco também conhecido
por cabo grosso, que tem diâmetro externo de 12,5 mm, outro
chamado de cabo fino com diâmetro externo de 7 mm e um terceiro
chamado flat que possui um perfil chato para ser utilizado por
conectores especiais com a tecnologia de perfuração visando reduzir o
tempo de montagem.
4. Os sinais de comunicação utilizam a técnica de tensão diferencial
para os níveis lógicos, visando diminuir a interferência eletromagnética,
que será igual nos dois fios e aliada a blindagem dos cabos, tende a
conservar a integridade da informação.

5


DeviceNet - Topologia
Topologia física em Barramento.
Linhas tronco e derivações.
Conexão de até 64 elementos.
Taxas de transmissão de 125 a 500 kbps.
Resistores de terminação de 121 ohms.

1. A rede DeviceNet admite somente a topologia com um cabo tronco
(principal) e derivações executadas obrigatoriamente do cabo principal.
2. A rede admite 64 equipamentos ativos, endereçados de 0 a 63,
porém é sugerido a utilização de no máximo 62 equipamentos,
deixando os endereços 62 e 63 livres, sendo o 62 reservado para a
interface de comunicação com o micro de configuração da rede e o
endereço 63 para conexão de novos instrumentos, visto que este é o
endereço default que os equipamentos saem de fábrica.
3. A tabela ilustra as restrições quanto ao comprimento dos cabos em
função da taxa de transmissão adotada para a troca dos dados na rede.
4. A rede DeviceNet requer resistores de terminação montados nos
dois extremos do cabo principal da rede, que tem como função evitar a
reflexão dos sinais, e deve ser montado com resistores de 121? ¼
watt, conectado entre os dois fios do par de comunicação (azul e
branco).

6


DeviceNet – Aquisição de Dados
“Polling”, “ Strobed”, Cíclico e Mudança de Estado

mudança-de-estado mudança-de-estado

polling

E/S Digitais E/S Analógicas

mudança-de-
mudança-de-estado cíclico
a cada 500ms
cíclico polling
a cada 1000ms

1. O conceito de produtor - consumidor foi adotado pela rede DeviceNet,
sendo que um elemento “produz” a informação no barramento e os elementos
que necessitam desta informação a “consomem”, diferentemente da maioria
dos protocolos em que a comunicação é única e exclusivamente entre dois
elementos.
2. O conceito produtor - consumidor visa eliminar troca de informações
desnecessárias, e utiliza métodos de comunicação apropriados tais como:
polled, strobed, change-of-state e cyclic.
3. Polled message: Neste método o mestre, no caso o cartão scanner da rede
montado no controlador, gera uma mensagem de comando direcionada a um
determinado escravo (ponto-a-ponto) e a resposta do escravo é direcionada ao
mestre, portanto podemos perceber que para cada escravo o mestre gera uma
requisição individual e recebe um pacote de informações do respectivo
escravo.
4. Strobed message: Neste método o mestre gera uma requisição tipo
multicast no barramento da rede e todos os escravos com comunicação
strobed respondem um após o outro, portanto temos uma requisição geral do
mestre e respostas individuais de cada escravo strobed;
5. Cyclic message: Neste método o escravo atualiza seus dados no mestre da
rede em intervalos de tempo pré-definidos, e este método tem grande
utilização em aplicações onde a variação de determinado ponto não necessita
de atualização instantânea;
6. Mudança de Estado (Change Of State): Neste caso o escravo irá enviar
seus dados ao mestre somente quando houver mudança de estado de suas
entradas, e quando o escravo é configurado para trabalhar com método COS
ele tem um recurso de comunicação cíclica para indicar ao mestre que ele está
na rede e funcionando corretamente, sendo este recurso conhecido como
heartbreaker.

7


Visão Geral da ControlNet
História
Desenvolvido pela Allen Bradley em 1995.
Protocolo aberto em 1996 controlado pela ControlNet
International
Características
Rede única para módulos de E/S, comunicação e
programação (upload/download) de CLPs
Modelo produtor/consumidor.
Repetibilidade e Determinismo.
Taxa de 5Mbps.
Capacidade para 99 nós.
Substituta dos protocolos Data Highway

1. A necessidade de uma rede de controle que permita uma previsão
confiável de quando os dados serão entregues e assegure que os
tempos de transmissão sejam constantes e não imunes a conexão e
desconexão de dispositivos na rede, levaram ao desenvolvimento da
ControlNet.
2. Trata-se de uma rede para o nível intermediário, ou de controle,
com transferência de dados em tempo real, provendo transportes de
dados críticos de E/S e mensagens, incluindo o upload e download de
programação e configuração de dispositivos.
3. Usufruindo totalmente do modelo produtor consumidor, ControlNet
permite que múltiplos controladores acessem e controlem entradas e
saídas em uma mesma rede. Isto é uma vantagem significativa sobre
outras redes, onde somente um mestre detém o controle do
barramento.
4. ControlNet permite tanto o multicast de dados quanto a comunicação
ponto a ponto, reduzindo o tráfego no barramento e aumentando o
desempenho do sistema.
5. ControlNet apresenta determinismo e repetibilidade, necessidades
críticas para assegurar um desempenho em tempo-real.
6. Determinismo é a habilidade de prever com confiabilidade quando
os dados serão entregues.
7. Repetibilidade assegura que os tempos de transmissão são
constantes e imunes à conexão e desconexão de dispositivos na rede.

8


ControlNet e o Modelo OSI

Semi Pneu AC Position Other
Devices Valve Drives Cntrllrs Profiles
User
Layer

CIP
Application Object Library

Application CIP Application Layer
Layer Explicit, I/O, Routing

DeviceNet encapsulation
Transport ControlNet
DLL Future
and Data Link DLL UPD TCP
Layer Transport Transport
IP

DeviceNet ControlNet Ethernet
Physical Physical Physical Physical Future
Layer
Layer Layer Layer

ATM, Firewire
USB, etc.

1. A figura mostra a relação entre o protocolo ControlNet e o modelo
OSI.
2. As camadas inferiores são especificadas pelo protocolo ControlNet,
enquanto que as superiores também fazem uso do protocolo CIP
assim como a DeviceNet.

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ControlNet – Camada Física
Concebida com uma
robusta rede de
comunicação para
aplicações industriais
Meios Físicos
Cabo coaxial RG 6/U 75Ω
com conector BNC.
Fibra ótica
Redundância

1. Ao ter sido concebida visando o uso industrial a ControlNet procurou
usar os meios físicos mais confiáveis, ou seja, cabo coaxial e fibra
ótica e ao mesmo tempo com ampla disponibilidade no mercado.
2. É recomendado o cabo coaxial tipo RG-6 com quatro malhas de
proteção bastante usado nas instalações de televisão a cabo.
3. A redundância de cabeamento é opcional, devendo ser usada quando
a disponibilidade do sistema seja essencial ao permitir que a rede
continue funcionando na presença de uma eventual falha em um cabo.
4. A alimentação elétrica dos dispositivos deve ser feito por
cabeamento em separado.

10


ControlNet – Camada Física
Topologias
Barramento, estrela, árvore ou qualquer mistura.
Distância de 1km sem repetidores.
Distância de 5km com repetidores.

1. A topologia física é o barramento com derivações (taps) permitidas
em qualquer posição.
2. Com repetidores é possível montar topologias em árvore e estrela
conforme mostram as figuras do slide.
3. A distância de 1,000m com cabo coaxial só pode ser alcançada em
uma rede com dois nós.
4. Com 32 nós é possível chegar a 500m. Com 48 nós é possível chegar a
250m.
5. Com o uso de repetidores e fibra ótica é possível chegar a 30km de
rede.
6. A quantidade de repetidores é limitada pelo atraso de propagação
dos sinais.
7. A quantidade de nós é limitado em 99, ou 48 em um mesmo
segmento sem repetidores.

11


ControlNet – Camada de Enlace

Como a ControlNet Funciona
Serviços da Camada de Enlace

Intervalo de Atualização da Rede

Serviço Agendado Serviço Não Agendado Serviço Manutenção

Acesso Múltiplo Concorrente no Dominio do Tempo

1. O acesso a rede é controlado por uma algoritmo de divisão de tempo
chamado Acesso Múltiplo Concorrente no Domínio do Tempo ou
CTDMA. Este determina a oportunidade de um determinado nó
transmitir em cada intervalo de acesso a rede. A largura do intervalo de
acesso a rede é selecionado pelo usuário através da seleção de um
parâmetro chamado NUT (Network Update Time).
2. Este parâmetro tem valor mínimo de 2ms podendo chegar a 50ms.
3. Informações críticas são enviadas durante a parcela de tempo
destinada ao serviço agendado de uma forma determinística e com
repetibilidade.
4. Informações que podem ser enviadas sem restrições de tempo,
como dados de configuração, são enviadas durante os intervalos de
tempo destinado aos serviços não-agendados.
5. O intervalo de tempo destinado aos serviços de manutenção é
chamado de “guardband” e aloca um intervalo de tempo para
necessidades eventuais de uso da rede.

12


Visão Geral da EtherNet IP
História
Criado a partir de esforços para encapsular os
protocolos DeviceNet e ControlNet em uma rede com
protocolo Ethernet/TCP-IP.
Mantida pela associação ODVA
Objetivos
Fornecer um serviço de comunicação de dados
industriais usando o hardware e cabeamento ethernet
usufruindo da sua velocidade e baixo custo.

1. EtherNet/IP, onde IP significa Industrial Protocol , foi criada pelos
esforços combinados da ODVA, ControNet International e Rockwell
Automation. Os esforços anteriores da Rockwell para encapsular o
protocolo ControlNet no protocolo ethernet/TCP-IP foi a base para o
seu desenvolvimento.
2. A EtherNet/IP foi projetada para implementar a transferência de dados
eficientemente com o protocolo CIP na camada de aplicação usando
a estrutura largamente utilizada dos protocolos Ethernet e TCP/IP.
3. Pela sua larga utilização e disponibilidade de fornecedores, o custo do
hardware da Ethernet se torna mais acessível que o da ControlNet.

13


EtherNet/IP e o Modelo OSI

1. Os protocolos DeviceNet, ControlNet e Ethernet/IP tem em comum o uso do
protocolo CIP (Communications and Information Protocol) na camada de
aplicação.
2. No CIP, cada dispositivo de rede representa ele mesmo como uma série de
objetos. Cada objeto é simplesmente um agrupamento de valores de dados
relacionados em um dispositivo.
3. Por exemplo, cada dispositivo CIP tem a necessidade de colocar um objeto
“Identidade” disponível na rede. O objeto identidade contem dados relativos
a sua identificação chamado de atributos. Os atributos para este objeto são a
identificação do fabricante, data de fabricação, número de série e outros dados
de identificação.
4. O CIP especifica quais valores ou atributos devem estar presentes e quais
devem ser disponibilizados aos demais dispositivos.
5. O objeto identidade é um exemplo de um objeto essencial, mas há três tipos
de objetos:
6. Objetos Essenciais: Estão presentes em todos os dispositivos. São exemplos:
O objeto “Identidade”, já citado, o objeto “Rede”, que contêm os dados de
conexão física com a rede como o MacID e endereço IP, e ainda o objeto
“Roteador de Mensagens”.
7. Objetos de Aplicação: São os objetos que definem o dado encapsulado pelo
dispositivo. Estes objetos são específicos ao tipo de dispositivo e função. Por
exemplo, um objeto “Motor” em uma chave de partida tem atributos
descrevendo a freqüência, corrente nominal e potência do motor. Um objeto
“Entrada Analógica” em um módulo de E/S tem atributos que definem o tipo,
resolução e valor de corrente para a entrada analógica.
8. Objetos Específicos: São os objetos não encontrados em um perfil para uma
classe de dispositivos e criados especificamente para um determinado
dispositivo.

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Control and Information Protocol – CIP
Tráfego de Informação
É estabelecida uma conexão explicita, ponto-a-ponto
para transmitir grandes quantidades de dados.
Adequada para operações que requerem mais
confiabilidade do que desempenho em tempo real.
Usufruto da confiabilidade inerente do protocolo de
transporte TCP
Tráfego de dados de E/S em tempo real
É estabelecida uma conexão implícita, usando o
protocolo UDP para transmitir pequenas quantidades de
dados referentes as atualizações dos dados de E/S.

1. Em adição a especificação de como os dados dos dispositivos são
representados na rede, o protocolo CIP especifica diferentes meios nos
quais os dados podem ser acessados tais como cíclico, “polled” e
mudança, conforme descrição efetuada no estudo da DeviceNet.
2. O protocolo CIP, a partir do tipo de dado e do mecanismo de
transferência adotado, decide qual o protocolo da camada de
transporte será adotado: TCP ou UDP.

15


Control and Information Protocol – CIP
Tráfego de dados por mecanismos cíclicos, “polled” e
por eventos.
É estabelecida uma conexão implícita, usando o
protocolo UDP para transmitir dados de um produtor
para múltiplos destinatários (consumidores)

16


1. A figura demostra o CIP solicitando serviços dos protocolos da
camada de transporte do TCP/IP, sendo o UDP para controle de E/S
em tempo real e oTCP para mensagens explicitas usadas em
configuração dos dispositivos.

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Arquitetura Integrada
Ethernet ControlNet DeviceNet Fieldbus H1

SLC 5/03

AL N - R DE
LE B A L Y

CCMi
CCMi
CCMi

SLC 5/03
AL N - R DE
LE B A L Y

Magnew
Honeywell
Magnew
Honeywell

A L L E N - B R A D L E Y P a n e l V i e w 5 5 0

CCMi
A L L E N - B R A D L E Y P a n e l V i e w 5 5 0

7 8 9

7 8 9 4 5 6

4 5 6 1 2 3

1 2 3 . 0 -

. 0 - -
< < - - - - - - - - - - - - - - - - - '

-

-
< < - - - - - - - - - - - - - - - - - ' F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 ^

- F 1 < >

F 1 F 2 F 3 F 4 F 5 ^ F 6 F 7 F 8 F 9 0 v

F 1 < >

F 6 F 7 F 8 F 9 0 v

1. A figura mostra um exemplo de arquitetura integrada de um sistema
de automação utilizando as redes da Rockwell.
2. Pode-se observar a existência de “gateways” entre ControlNet e
DeviceNet, e ainda entre ControlNet e Foundation Fieldbus. Inclusive
permitindo a configuração de dispositivos Foundation Fieldbus de
qualquer ponto da rede ControlNet.
3. Percebe-se que há uma forte tendência de fazer com que o
Ethernet/IP ocupe o espaço da ControlNet na parte superior do
sistema (interligação de CLPs e PCs), devido a sua maior velocidade e
menor custo para os mesmos dispositivos.
4. Na parte inferior do sistema (Interligação entre CLPs e módulos de E/S)
o DeviceNet pode cumprir o papel da ControlNet.
5. Portanto, apesar das claras evidências da eficiência da ControlNet, não
se recomenda o seu uso em novas instalações, onde o conjunto
Ethernet/IP e DeviceNet possa ser uma solução.

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