{"id":34795,"date":"2019-10-31T22:00:25","date_gmt":"2019-10-31T19:00:25","guid":{"rendered":"https:\/\/prohoster.info\/blog\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet\/"},"modified":"2019-10-31T22:00:25","modified_gmt":"2019-10-31T19:00:25","slug":"shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/prohoster.info\/pt\/blog\/news\/shiny-i-protokoly-v-promyshlennoj-avtomatike-kak-vsyo-eto-rabotaet","title":{"rendered":"Barramentos e protocolos na automa\u00e7\u00e3o industrial: como tudo isso funciona","gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"text"}]},"content":{"rendered":"

\"Barramentos
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\nProvavelmente muitos de voc\u00eas conhecem ou at\u00e9 mesmo j\u00e1 viram como s\u00e3o geridos grandes objetos automatizados, como uma usina nuclear ou uma f\u00e1brica com m\u00faltiplas linhas de produ\u00e7\u00e3o: a principal opera\u00e7\u00e3o acontece frequentemente em uma grande sala, cheia de telas, luzes e pain\u00e9is de controle. Este complexo de controle geralmente \u00e9 chamado de G\u00c7U \u2014 o quadro de controle principal para supervis\u00e3o do objeto de produ\u00e7\u00e3o. <\/p>\n

Certamente voc\u00eas se perguntaram como tudo isso funciona do ponto de vista de hardware e software, e o que distingue esses sistemas dos computadores pessoais comuns. Neste artigo, vamos explorar como os diferentes dados chegam ao G\u00c7U, como s\u00e3o enviados comandos ao equipamento, e o que \u00e9 necess\u00e1rio para operar uma esta\u00e7\u00e3o de compress\u00e3o, uma instala\u00e7\u00e3o de produ\u00e7\u00e3o de propano, uma linha de montagem de autom\u00f3veis ou at\u00e9 mesmo uma esta\u00e7\u00e3o de bombeamento de esgoto.
\n<\/a><\/noindex><\/p>\n

O n\u00edvel inferior ou barramento de campo \u2014 o ponto de partida. <\/h2>\n

\nEsse conjunto de palavras, que pode parecer confuso para os n\u00e3o iniciados, \u00e9 usado para descrever os meios de comunica\u00e7\u00e3o entre microcontroladores e equipamentos subordinados, como m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda ou dispositivos de medi\u00e7\u00e3o. Esse canal de comunica\u00e7\u00e3o \u00e9 geralmente chamado de 'barramento de campo', pois ele \u00e9 respons\u00e1vel por transmitir ao controlador os dados que v\u00eam do 'campo'. <\/p>\n

'Campo' \u00e9 um termo profissional profundo que indica o fato de que algum equipamento (como sensores ou atuadores) com o qual o controlador interage est\u00e1 situado em algum lugar distante, ao ar livre, nos campos, sob a cobertura da noite. E n\u00e3o importa que o sensor possa estar a meio metro do controlador e medir, por exemplo, a temperatura em um arm\u00e1rio de automa\u00e7\u00e3o, ainda \u00e9 considerado que ele est\u00e1 'no campo'. Frequentemente, os sinais dos sensores, que chegam aos m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda, percorrem dist\u00e2ncias de dezenas a centenas de metros (e \u00e0s vezes mais), coletando informa\u00e7\u00f5es de locais ou equipamentos remotos. \u00c9 por isso que o barramento de troca, pelo qual o controlador recebe valores desses sensores, \u00e9 normalmente chamado de barramento de campo ou, menos frequentemente, barramento de n\u00edvel inferior ou barramento industrial.<\/p>\n

\"Barramentos
\nEsquema geral de automa\u00e7\u00e3o de um objeto industrial<\/i> <\/p>\n

Assim, o sinal el\u00e9trico do sensor percorre uma certa dist\u00e2ncia atrav\u00e9s de cabos (geralmente por cabos de cobre comuns com um n\u00famero espec\u00edfico de fios), aos quais v\u00e1rios sensores est\u00e3o conectados. Em seguida, o sinal chega ao m\u00f3dulo de processamento (m\u00f3dulo de entrada e sa\u00edda), onde \u00e9 convertido em uma linguagem digital compreens\u00edvel para o controlador. Ap\u00f3s isso, esse sinal \u00e9 enviado diretamente ao controlador pela rede de campo, onde \u00e9 processado de forma definitiva. A l\u00f3gica de opera\u00e7\u00e3o do microcontrolador \u00e9 baseada nesses sinais.<\/p>\n

N\u00edvel superior: de uma guirlanda a uma esta\u00e7\u00e3o de trabalho completa<\/h2>\n

\nO n\u00edvel superior refere-se a tudo o que pode ser tocado por um operador comum, que controla o processo tecnol\u00f3gico. No caso mais simples, o n\u00edvel superior consiste em um conjunto de l\u00e2mpadas e bot\u00f5es. As l\u00e2mpadas sinalizam ao operador sobre eventos que ocorrem no sistema, enquanto os bot\u00f5es servem para enviar comandos ao controlador. Esse tipo de sistema \u00e9 frequentemente chamado de 'guirlanda' ou '\u00e1rvore', pois se parece muito (como pode ser visto na foto no in\u00edcio do artigo).<\/p>\n

Se o operador tiver mais sorte, o n\u00edvel superior ser\u00e1 um painel de operador \u2014 um computador de painel plano que recebe dados de alguma forma do controlador para exibi-los na tela. Esse painel costuma ser montado no pr\u00f3prio arm\u00e1rio de automa\u00e7\u00e3o, portanto, a intera\u00e7\u00e3o geralmente \u00e9 feita em p\u00e9, o que causa desconforto, al\u00e9m de que a qualidade e o tamanho da imagem em pain\u00e9is pequenos deixam a desejar.<\/p>\n

\"Barramentos
\n
\nE, finalmente, a atra\u00e7\u00e3o da generosidade sem precedentes \u2014 uma esta\u00e7\u00e3o de trabalho (ou at\u00e9 v\u00e1rias duplicatas), que consiste em um computador pessoal comum.<\/p>\n

O equipamento de n\u00edvel superior deve interagir de alguma forma com o microcontrolador (caso contr\u00e1rio, para que serve?). Para essa intera\u00e7\u00e3o, s\u00e3o utilizados protocolos de n\u00edvel superior e um meio de transmiss\u00e3o, como Ethernet ou UART. No caso da '\u00e1rvore', tais sofistica\u00e7\u00f5es n\u00e3o s\u00e3o necess\u00e1rias, as l\u00e2mpadas s\u00e3o acionadas utilizando linhas f\u00edsicas comuns, sem interfaces ou protocolos complexos.<\/p>\n

De modo geral, este n\u00edvel superior \u00e9 menos interessante do que o barramento de campo, uma vez que esse n\u00edvel superior pode nem existir (da s\u00e9rie nada para o operador visualizar, o controlador se encarrega de decidir o que e como fazer).<\/p>\n

Protocolos de transmiss\u00e3o de dados \"antigos\": Modbus e HART<\/h2>\n

\nPoucos sabem, mas no s\u00e9timo dia da cria\u00e7\u00e3o do mundo, Deus n\u00e3o descansou, mas criou o Modbus. Junto com o protocolo HART, o Modbus \u00e9, sem d\u00favida, o mais antigo protocolo industrial de transmiss\u00e3o de dados, surgindo em 1979.<\/p>\n

Inicialmente, foi usado um interface serial como meio de transmiss\u00e3o, depois o Modbus foi implementado sobre TCP\/IP. Este \u00e9 um protocolo s\u00edncrono baseado na arquitetura \"mestre-escravo\", que utiliza o princ\u00edpio \"pedido-resposta\". O protocolo \u00e9 bastante pesado e lento, e a velocidade de troca depende das caracter\u00edsticas do receptor e do transmissor, mas geralmente pode levar quase centenas de milissegundos, especialmente na implementa\u00e7\u00e3o via interface serial. <\/p>\n

Al\u00e9m disso, o registro de dados de transmiss\u00e3o Modbus \u00e9 de 16 bits, o que imp\u00f5e limita\u00e7\u00f5es imediatas \u00e0 transmiss\u00e3o dos tipos real e double. Eles s\u00e3o transmitidos em partes ou com perda de precis\u00e3o. Embora o Modbus ainda seja amplamente utilizado em situa\u00e7\u00f5es onde alta velocidade de troca n\u00e3o \u00e9 necess\u00e1ria e a perda de dados transmitidos n\u00e3o \u00e9 cr\u00edtica. Muitos fabricantes de diversos dispositivos gostam de expandir o protocolo Modbus de maneiras \u00fanicas e muito originais, adicionando fun\u00e7\u00f5es n\u00e3o padronizadas. Portanto, este protocolo possui in\u00fameras muta\u00e7\u00f5es e desvios da norma, mas ainda assim se mant\u00e9m vivo e pr\u00f3spero no mundo moderno.
\nO protocolo HART tamb\u00e9m existe desde a d\u00e9cada de oitenta, sendo um protocolo de comunica\u00e7\u00e3o industrial sobre uma linha de dois fios de corrente, na qual sensores de 4-20 mA e outros instrumentos compat\u00edveis com o protocolo HART s\u00e3o conectados diretamente. <\/p>\n

Para a comuta\u00e7\u00e3o das linhas HART, s\u00e3o utilizados dispositivos especiais, chamados de modems HART. Tamb\u00e9m existem conversores que fornecem ao usu\u00e1rio, por exemplo, o protocolo Modbus na sa\u00edda. <\/p>\n

O HART \u00e9 not\u00e1vel, pois, al\u00e9m dos sinais anal\u00f3gicos dos sensores de 4-20 mA, um sinal digital do pr\u00f3prio protocolo \u00e9 transmitido no circuito, permitindo conectar a parte digital e anal\u00f3gica em uma \u00fanica linha de cabos. Os modernos modems HART podem ser conectados \u00e0 porta USB do controlador, se conectar via Bluetooth, ou ainda pelo m\u00e9todo tradicional atrav\u00e9s da porta serial. H\u00e1 uma d\u00e9cada, seguindo a analogia do Wi-Fi, surgiu o padr\u00e3o sem fio WirelessHART, que opera na faixa ISM.<\/p>\n

A segunda gera\u00e7\u00e3o de protocolos ou barramentos que n\u00e3o s\u00e3o exatamente industriais, como ISA, PCI(e) e VME. <\/h2>\n

\nEm substitui\u00e7\u00e3o aos protocolos Modbus e HART, surgiram barramentos que n\u00e3o s\u00e3o exatamente industriais, como ISA (MicroPC, PC\/104) ou PCI\/PCIe (CompactPCI, CompactPCI Serial, StacPC), al\u00e9m do VME. <\/p>\n

Chegou a era dos computacionais que disp\u00f5em de um barramento de dados universal, onde diversos m\u00f3dulos podem ser conectados para processar um sinal unificado. Geralmente, nesse caso, o m\u00f3dulo processador (computacional) \u00e9 inserido em um chamado chassi, que assegura a intera\u00e7\u00e3o no barramento com outros dispositivos. O chassi, ou como gostam de chamar os verdadeiros automatizadores, 'crate', \u00e9 complementado com os m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda necess\u00e1rios: anal\u00f3gicos, discretos, de interface, etc., ou tudo isso \u00e9 montado em forma de sandu\u00edche sem chassi \u2014 uma placa sobre a outra. Ap\u00f3s isso, essa diversidade no barramento (ISA, PCI, etc.) troca dados com o m\u00f3dulo processador, que assim obt\u00e9m informa\u00e7\u00f5es dos sensores e implementa alguma l\u00f3gica.<\/p>\n

\"Barramentos
\nControlador e m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda no chassi PXI no barramento PCI. Fonte: National Instruments Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

Tudo estaria bem com esses barramentos ISA, PCI(e) e VME, especialmente para a \u00e9poca: a velocidade de troca n\u00e3o decepciona, e os componentes do sistema est\u00e3o dispostos em um \u00fanico chassi, de forma compacta e conveniente; a troca a quente das placas de entrada e sa\u00edda pode n\u00e3o existir, mas ainda assim, n\u00e3o se tem a urg\u00eancia de faz\u00ea-la. <\/p>\n

Mas h\u00e1 um por\u00e9m, e n\u00e3o \u00e9 um s\u00f3. \u00c9 bastante dif\u00edcil construir um sistema distribu\u00eddo nessa configura\u00e7\u00e3o, o barramento \u00e9 local, \u00e9 necess\u00e1rio inventar algo para a troca de dados com outros n\u00f3s subordinados ou iguais, como o Modbus sobre TCP\/IP ou outro protocolo qualquer. No geral, as facilidades s\u00e3o escassas. E h\u00e1 um segundo ponto desagrad\u00e1vel: as placas de entrada e sa\u00edda geralmente esperam um sinal padronizado na entrada, e n\u00e3o possuem isolamento galv\u00e2nico com o equipamento de campo, por isso \u00e9 preciso montar uma estrutura de v\u00e1rios m\u00f3dulos de convers\u00e3o e circuitos intermedi\u00e1rios, o que complica bastante a base de componentes.<\/p>\n

\"Barramentos
\nM\u00f3dulos intermedi\u00e1rios de convers\u00e3o de sinal com isolamento galv\u00e2nico. Fonte: DataForth Corporation<\/a><\/noindex><\/i><\/p>\n

\u00abE quanto ao protocolo de comunica\u00e7\u00e3o pelo barramento industrial?\u00bb \u2014 voc\u00ea pode perguntar. E nada. N\u00e3o h\u00e1 nenhum nessa implementa\u00e7\u00e3o. Atrav\u00e9s das linhas de cabos, o sinal chega dos sensores at\u00e9 os conversores de sinal, que fornecem tens\u00e3o para a placa de entrada e sa\u00edda discreta ou anal\u00f3gica, e os dados da placa s\u00e3o lidos atrav\u00e9s das portas de entrada\/sa\u00edda, por meio do sistema operacional. E nada de protocolos especializados.<\/p>\n

Como funcionam os modernos barramentos industriais e protocolos<\/h2>\n

\nE agora? At\u00e9 hoje, a ideologia cl\u00e1ssica de constru\u00e7\u00e3o de sistemas automatizados mudou um pouco. Muitos fatores tiveram influ\u00eancia, desde o fato de que tamb\u00e9m deve ser conveniente automatizar, at\u00e9 a tend\u00eancia de sistemas automatizados distribu\u00eddos com n\u00f3s afastados uns dos outros.<\/p>\n

Pode-se dizer que, atualmente, existem duas principais concep\u00e7\u00f5es para a constru\u00e7\u00e3o de sistemas de automa\u00e7\u00e3o: sistemas automatizados localizados e sistemas automatizados distribu\u00eddos.<\/p>\n

No caso de sistemas localizados, onde a coleta de dados e o gerenciamento s\u00e3o centralizados em um local espec\u00edfico, a conceito de um conjunto de m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda conectados entre si por um barramento r\u00e1pido comum \u00e9 bastante solicitado, incluindo um controlador com seu pr\u00f3prio protocolo de comunica\u00e7\u00e3o. Normalmente, os m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda incluem um conversor de sinal e um isolamento galv\u00e2nico (embora, claro, isso n\u00e3o aconte\u00e7a sempre). Assim, o consumidor final precisa apenas entender quais tipos de sensores e mecanismos estar\u00e3o presentes no sistema automatizado, contar a quantidade necess\u00e1ria de m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda para diferentes tipos de sinais e conect\u00e1-los em uma linha geral com o controlador. Nesse caso, cada fabricante geralmente utiliza seu protocolo favorito de comunica\u00e7\u00e3o entre os m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda e o controlador, e as op\u00e7\u00f5es podem ser in\u00fameras.<\/p>\n

No caso de sistemas distribu\u00eddos, tudo o que \u00e9 aplic\u00e1vel aos sistemas localizados se mant\u00e9m, exceto que \u00e9 importante que componentes individuais, como um conjunto de m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda mais um dispositivo de coleta e transmiss\u00e3o de informa\u00e7\u00f5es \u2014 um microcontrolador n\u00e3o muito inteligente que est\u00e1 em uma cabine no campo, pr\u00f3ximo a uma v\u00e1lvula que controla o petr\u00f3leo \u2014 possam interagir com n\u00f3s semelhantes e com o controlador principal a uma grande dist\u00e2ncia com uma velocidade de comunica\u00e7\u00e3o eficiente. <\/p>\n

Como os desenvolvedores escolhem o protocolo para seu projeto? Todos os protocolos modernos de comunica\u00e7\u00e3o garantem um desempenho bastante elevado, portanto, muitas vezes, a escolha de um fabricante em detrimento de outro n\u00e3o \u00e9 baseada na velocidade de comunica\u00e7\u00e3o atrav\u00e9s desse barramento industrial. A implementa\u00e7\u00e3o do pr\u00f3prio protocolo tamb\u00e9m n\u00e3o \u00e9 t\u00e3o importante, pois, do ponto de vista do desenvolvedor do sistema, ser\u00e1 sempre uma caixa-preta que oferece uma certa estrutura interna de comunica\u00e7\u00e3o e n\u00e3o \u00e9 destinada a interven\u00e7\u00f5es externas. Mais frequentemente, a aten\u00e7\u00e3o \u00e9 voltada para caracter\u00edsticas pr\u00e1ticas: o desempenho do processador, a conveni\u00eancia da aplica\u00e7\u00e3o do conceito do fabricante \u00e0 tarefa proposta, a disponibilidade dos tipos necess\u00e1rios de m\u00f3dulos de entrada e sa\u00edda, a possibilidade de substitui\u00e7\u00e3o a quente de m\u00f3dulos sem interrup\u00e7\u00e3o do barramento, etc.<\/p>\n

Fornecedores populares de equipamentos oferecem suas pr\u00f3prias implementa\u00e7\u00f5es de protocolos industriais: por exemplo, a conhecida empresa Siemens desenvolve sua s\u00e9rie de protocolos Profinet e Profibus, a B&R \u2014 o protocolo Powerlink, a Rockwell Automation \u2014 o protocolo EtherNet\/IP. Uma solu\u00e7\u00e3o nacional nesta lista de exemplos \u00e9 a vers\u00e3o do protocolo FBUS da empresa russa Fastwel. <\/p>\n

Existem tamb\u00e9m solu\u00e7\u00f5es mais universais, que n\u00e3o est\u00e3o ligadas a um fabricante espec\u00edfico, como EtherCAT e CAN. Vamos detalhar esses protocolos ao longo do artigo e entender quais deles s\u00e3o mais adequados para aplica\u00e7\u00f5es espec\u00edficas: nas ind\u00fastrias automotiva e aeroespacial, na produ\u00e7\u00e3o de eletr\u00f4nicos, em sistemas de posicionamento e rob\u00f3tica. Fique ligado!
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Fonte: habr.com<\/a><\/p>","protected":false,"gt_translate_keys":[{"key":"rendered","format":"html"}]},"excerpt":{"rendered":"

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