Protocolos de comunicação industrial comuns

A capacidade de se comunicar com a instrumentação instalada no chão de fábrica não é mais apenas um luxo. A necessidade de monitorar, controlar e armazenar dados de processo automaticamente é agora um requisito para muitos dos clientes

Existem vários métodos de se comunicar com a instrumentação, mas qual é o melhor para minha aplicação? Espero que este artigo esclareça e dê a você uma boa indicação sobre qual o caminho a seguir.

Protocolos Proprietários

Em muitos casos, os únicos protocolos que estão disponíveis são protocolos proprietários do fabricante, sobre o RS232 ou o RS485. Para alguns fabricantes de instrumentos, isto é tão bom quanto pode ser, se você precisasse de dados do seu dispositivo. Para implementar este tipo de protocolo, existem algumas opções para coletar dados do processo. A primeira é usar software proprietário do vendedor. Isso é bom, desde que este fornecedor tenha software e este seja de alta qualidade e bem escrito, o que em muitos casos não ocorre.

A segunda opção é criar o seu próprio software. Esta escolha é o último recurso se não existir um software do fabricante ou se os dados devem ser coletados por um sistema SCADA estabelecido (Supervisory Control and Data Acquisition – Sistemas de Supervisão e Aquisição de Dados). Esta é uma maneira dolorosa de usar os recursos de comunicação em seus instrumentos, e, se equipamentos de múltiplos fornecedores estiverem em seu chão de fábrica, escrever e manter múltiplos drivers é um trabalho de tempo integral. Uma empresa, vendo toda a desordem dos vários protocolos proprietários no mercado, assumiu o desafio de trazer muitos dos protocolos mais comuns em um único e útil pacote SCADA. A SpecView Corporation de Gig Harbor, Washington, pegou toda esta mistura e tornou simples para os donos de indústrias coletarem dados de um instrumento e armazená-los em um local. A SpecView é uma salvação para muitos fabricantes de instrumentos, que agora têm pacote SCADA com preço razoável para oferecer aos seus clientes, que irão trabalhar com seus protocolos existentes.

OPC é outra ferramenta para obtenção de dados de instrumentos no chão de fábrica. É uma plataforma comum na qual múltiplos servidores de instrumentos podem colocar os seus dados, para que clientes de software do Windows compatível com a OPC possam coletá-los. O principal objetivo da especificação foi eliminar a necessidade de que fornecedores de aplicação para clientes desenvolvessem drivers de comunicação proprietários que coletassem dados de vários instrumentos. Muitos fornecedores oferecem OPC compatível com servidores para seus instrumentos. Usando o OPC, conectar qualquer pacote de software e qualquer driver de instrumento em conjunto é simples, desde que sejam compatíveis com ela.

“Eu quero um protocolo Ethernet”

Um ponto de confusão para muitas pessoas é a diferenciação entre a conexão física e o protocolo de comunicação. Ao especificar o tipo de comunicação da sua rede, tem que ser tratados tanto o tipo de conexão quanto o protocolo. Muitos protocolos irão operar por mais de uma camada física; a camada física é a conexão que os instrumentos usam para as comunicações. Por exemplo, o protocolo Modbus pode operar sobre o RS485 (Modus RTU) e a camada física Ethernet (Modbus TCP / IP), enquanto o CIP (Communications and Information Protocol – protocolo de comunicação e informação) opera sobre a Ethernet (Ethernet / IP) e a conexão física CANbus (DeviceNET).

Em termos simples, as diferenças entre a conexão física e o protocolo podem ser vistas em algo tão simples como uma chamada telefônica. Ambas as partes devem ter um telefone para estabelecer uma conexão física entre os dois. Isso seria uma representação do RS232, RS485, fibra ou Ethernet. Agora que a conexão física está estabelecida, o protocolo representaria o idioma de cada uma das pessoas. Se as duas pessoas estiverem falando inglês através do telefone, as informações poderão ser trocadas. Se uma pessoa estiver falando francês e a outra japonês, nenhum dado é trocado. Os protocolos industriais comuns são o Modbus, CIP, CC-Link e BACnet.

O Modbus é atualmente o protocolo mais comumente utilizado em aplicações industriais. Este protocolo foi publicado em 1979 pela Modicon para uso com os seus PLCs, mas agora é administrado pela Modbus Organization. O Modbus foi e ainda é de fato o padrão para protocolos de comunicação industrial. Quase todos os fornecedores de instrumentos estão usando a comunicação Modbus, de uma forma ou de outra. Uma das razões para isto é que o Modbus tem um projeto bastante simples e é fácil de ser implementado. O protocolo é projetado para transmitir apenas dados de 16-bit inteiros entre dispositivos na mesma rede. Isso significa que os dados são simples e as mensagens são curtas. Esta simplicidade permite comunicações robustas e confiáveis.

Existem vários padrões Modbus, mas dois são os mais comuns: Modbus RTU, que transmite em conexões físicas RS232/485 e Modbus TCP / IP, que utiliza a Ethernet. Instrumentos usando Modbus RTU empregam uma técnica mestre-escravo para a comunicação entre eles. Um dispositivo, o Modbus mestre, age como o maestro na rede, controlando todos os dados que são transportados pelo bus. Este mestre irá consultar os dispositivos na rede para obter informações, tais como a variável de processo ou o status de alarme. Ele também pode passar novos dados para os escravos, como um novo valor ou uma mudança no modo de operação.

Este dispositivo é tipicamente um PLC, registrador de dados ou pacote de software SCADA que precisa dos dados para completar a sua função essencial de armazená-los, controlando o processo ou usando os dados para concluir outras funções no sistema. Dispositivos escravos são tipicamente elementos, tais como controladores de temperatura, medidores de potência ou condicionadores de sinal que normalmente desempenham as suas funções primárias enquanto esperam por uma consulta Modbus do mestre. Em relação ao mestre, o escravo não tem outras funções, além de responder aos seus comandos Modbus. O Modbus RTU é excelente para aplicações onde todos os dispositivos estão em uma pequena área, um painel ou até mesmo uma pequena oficina. Tudo o que é necessário para conectar os instrumentos é um cabo de par trançado. Algumas indústrias têm ligado instalações maiores com cabo RS485 para o Modbus, mas há uma solução melhor se uma rede de área ampla for necessária – o Modbus TCP / IP.

O Modbus TCP / IP usa um esquema cliente-servidor para o gerenciamento de dados, que é um pouco diferente do mestre-escravo. Com o Modbus RTU, o dispositivo mestre é responsável por gerenciar o fluxo de todos os dados na rede. Com o Modbus TCP / IP, o fluxo de dados é controlado pelos protocolos TCP / IP embutidos em roteadores, switches e servidores na rede. O TCP / IP não é outro protocolo industrial, mas um conjunto de regras para a transmissão de pacotes de dados de um computador ou dispositivo em uma rede para outro. Com o TCP / IP, um dispositivo pega um pedaço de dados, cerca-o com informações de endereçamento chamado de envelope e envia-o para a rede. O protocolo TCP / IP garante que os dados vão chegar ao seu destino final.

Isto é semelhante a endereçar uma carta e enviá-la. O endereço que está escrito no envelope tem o destino final do pacote. O sistema postal tem a infraestrutura para retirar, classificar e entregar milhões de peças de correspondência diariamente, em um processo que é quase totalmente automatizado. O TCP / IP faz a mesma coisa, mas muito mais rápido e tem muito mais dados empacotados.

Uma vez que o fluxo de dados já não tenha de ser gerido por um dispositivo mestre, algumas coisas mudam. Os pedidos de informação podem vir de várias fontes ao mesmo tempo. Os dispositivos que solicitam dados são chamados de clientes. Assim como os mestres, eles podem ser PLCs, sistemas de aquisição de dados ou pacotes SCADA. Os escravos RTU anteriores são agora os servidores no mundo TCP / IP, basicamente fazendo a mesma coisa – responder a consultas da rede. O que é diferente nesta configuração é que um instrumento pode ser tanto um cliente e servidor ao mesmo tempo, fornecendo dados para outros clientes e coletando dados de outros servidores. Alguns fornecedores, como a Yokogawa, fornecem instrumentos e registradores de dados com esta capacidade. O Modbus TCP / IP é ótimo para qualquer aplicação, mas se destaca onde a implementação precisa ser rápida e simples e uma infraestrutura Ethernet já existe na instalação. A distância não é um problema porque a maioria das intranets e a Internet usam o protocolo TCP / IP. Clientes e servidores não precisam estar no mesmo prédio ou até mesmo município, mas podem trocar dados facilmente. Esta facilidade de uso e flexibilidade impulsionou o Modbus TCP / IP para o local mais importante das redes industriais.

O protocolo industrial comum – Common Industrial Protocol (CIP) – foi desenvolvido pela Rockwell Automation para uso em seus PLCs. Eles abriram o protocolo, que agora é administrado pela ODVA. Este protocolo está se tornando um dos mais utilizados na indústria atual dos EUA, devido a uma grande base instalada de PLCs Allen Bradley e do número de fabricantes de instrumentos que suportam o protocolo. O CIP é implementado através de várias conexões físicas: conexão RS485 CAN (DeviceNet), Ethernet (Ethernet IP) e Coax (ControlNet).

Ao contrário da simplicidade do Modbus, o CIP é muito mais complexo em sua operação, mas oferece capacidades-chave que permitem aos usuários determinarem quais informações são necessárias e quando. Os dados podem ser trocados entre as unidades em várias redes CIP independente da conexão física. O CIP usa um grupo abrangente de mensagens implícitas / explícitas e objetos de aplicação para agrupar informações, configurar dispositivos, coletar dados e diagnosticar problemas. Os dados podem ser facilmente organizados para que as informações necessárias para a fabricação possam ser separadas da informação necessária para o front office. Quando implementado adequadamente, o CIP pode ser uma maneira muito eficiente de operar um processo de produção.

Protocolo CC-Link

O CC-Link é um protocolo desenvolvido pela Mitsubishi no final de 1990 para utilização com os seus PLCs. Logo depois, a Mitsubishi abriu o protocolo e o lançou ao público. Muitos fornecedores de equipamentos adotaram o protocolo, mas estes fornecedores normalmente servem os mercados asiáticos. A maioria das aplicações para este protocolo será encontrada no controle de máquinas ou automação de processos em instalações de manufatura. O protocolo CC-Link vem em vários formatos em que a velocidade e a função os diferenciam uns dos outros. As conexões físicas primárias entre estes protocolos são a RS485 e a Ethernet, que apoia seus populares protocolos CC-Link e CC-Link IE, assim como seus outros protocolos, que também rodam nestas ligações. A CC-Link é a melhor utilizada quando uma rede existente CC-Link está atuando ou quando se usa um PLC Mitsubishi.

Protocolo BACnet

O BACnet é um protocolo utilizado na construção de aplicações de controle e automação, que permite que diferentes elementos e sistemas utilizados em prédios comerciais – como HVAC, termostatos, sensores de movimento, relâmpago, detecção de segurança e fumaça – trabalhem todos juntos na mesma rede. Inicialmente, o BACnet foi implementado em múltiplas camadas físicas, tais como fios de telefone, RS232/485 ou cabos coaxiais. Hoje, é exclusivamente aplicado sobre a Ethernet. O BACnet normalmente não é um protocolo que iria ser implementado em um processo industrial, mas você pode aplicá-lo caso já tenha o mesmo na sua instalação, bem como você esteja utilizando instrumentação que usa esse protocolo.

Conclusão

Esta não é de maneira nenhuma uma lista completa dos protocolos disponíveis no mercado. A seleção de um protocolo para a sua aplicação particular será baseado em muitos fatores, incluindo o hardware existente em suas instalações, os tipos de dados e diagnósticos que você precisa, e os conhecimentos técnicos que estão disponíveis para que você projete e implante um sistema de comunicações. Em minha opinião, um Modbus TCP / IP é a escolha lógica, se tudo permanecer como está. É suportado pela maioria dos fornecedores de instrumentos e software, é simples de ser entendido e configurado, pode usar uma infraestrutura de Ethernet existente e é extremamente confiável para a coleta de informações básicas do processo. Muitos recursos estão disponíveis on-line explicando este protocolo e muitos fabricantes de instrumentos como a Yokogawa, estão dispostos a ajudá-lo com sua configuração Modbus TCP / IP e suas questões de implantação.

Para mais informações, contate: Clayton Wilson; clayton.wilson@us.yokogawa.com. Revisão de tradução gentilmente cedida por Denise Zanirato Thome Nardocci; denise.nardocci@br.yokogawa.com.

 

Clayton Wilson
Clayton Wilson
Yokogawa Corporation of America; +1 678-423-2524; clayton.wilson@us.yokogawa.com; www.us.yokogawa.com.

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