Redes Industrias - Parte III

Tweet

4

Nesse post abordaremos alguns parâmetros relativos a qualquer sistema de comunicação de dados, bem como alguns dos meios físicos mais comumente encontrados na indústria e suas aplicações. Vamos nessa...

Parâmetros básicos de uma rede de comunicação

Velocidade ou baud rate

A velocidade ou baud rate determina
quantas unidades de informação por unidade de tempo poderão ser transmitidas através de uma rede. Em geral a unidade de dados considerada é o bit e a unidade de tempo é o segundo. Assim os baud rates mais comuns para protocolos seriais, padrão RS/EIA-232 ou RS/EIA-485, são de 110 bps a 115.200bps (bps=bits por segundo). Em geral, os protocolos industriais possibilitam velocidades até 12Mbps (mega bits por segundo) para meios seriais, sendo que para obter essa velocidade, são necessários diversas observações quanto ao tipo e comprimento de cabos utilizado. Quando o meio físico é o padrão Ethernet, é possível obter velocidades de até 100Mbps (ou 1Gbps, no caso de redes Gigabit).

Topologia ponto-a-ponto ou ponto-multiponto

Essa característica se refere à quantidade de dispositivos que podem compartilhar o mesmo barramento de dados. As redes industriais de um modo geral utilizam a topologia ponto-multiponto (multidrop), ou seja, interconectam diversos dispositivos em um mesmo barramento de dados. Alguns poucos dispositivos utilizam a topologia ponto-a-ponto para comunicação, geralmente trabalhando com meio físico serial EIA/RS-232.

Modo de transmissão

O modo de transmissão de uma rede estabelece o sentido e simultaneidade dos dados trafegados e poderá ser simplex, half-duplex ou full-duplex.

• Simplex é um modo de transmissão unidirecional, ou seja, um dispositivo apenas transmite e o outro apenas recebe. Podemos comparar esse modo com uma estação de rádio FM. A informação (voz ou música) é modulada e enviada para as estações receptoras, que decodificam a mensagem, mas não há uma maneira de enviar informações da unidade receptora para a transmissora. É uma via de mão única.
  
• Half-duplex é um modo de transmissão bidirecional não simultâneo, ou seja, um dispositivo dentro da rede pode transmitir e receber informações, mas em momentos diferentes. Ou seja, quando um dispositivo está transmitindo, não pode receber dados ou, se estiver recebendo dados, não poderá transmitir nenhuma informação. Podemos comparar esse modo de transmissão com um walk-talkie ou como um sistema da Nextel. Se o botão "falar" estiver pressionado, é impossível ouvir qualquer mensagem recebida, e vice-versa.
• Full-duplex já é um modo de transmissão bidirecional e simultâneo, ou seja, qualquer dispositivo poderá enviar e receber dados simultaneamente. Podemos compará-lo com um telefone, onde é possível ouvir e falar ao mesmo tempo (embora nosso cérebro não consiga fazer isso simultaneamente).
  

Geralmente, as redes industriais são half-duplex, pois full-dulpex exigiria uma linha de dados para cada função (transmissão ou recepção), aumentando o número de cabos e encarecendo a instalação e simplex não é um modo muito comum de operação de dispositivos industriais.

Paridade, start e stop bits e controle de fluxo

Esses são parâmetros comuns para redes seriais, padrão RS/EIA-232 ou RS/EIA-485, que serão abordados abaixo.

Meios físicos

RS-232/EIA-232

Consiste em um padrão para interconexão entre dispositivos (interface) para comunicação de dados. A sigla RS vem de "Recommended Standard" ou Padrão Recomendado e, a partir de 1991 passou a ser chamado de EIA-232, onde EIA é a sigla do comitê responsável por esse padrão (Electronics Industries Association ou Associação das Indústrias Eletrônicas ou de componentes eletrônicos). Este foi um dos primeiros padrões para comunicação entre dispositivos, criado na
década de 60. O padrão EIA-232 define como devem ser as ligações físicas entre dispositivos, os níveis de tensão utilizados, as temporizações e funções dos sinais, ou seja, um conjunto de conceitos para ligações elétricas e regras para comunicação. Esse meio físico é somente ponto-a-ponto, ou seja, somente dois dispositivos podem se comunicar.

Basicamente, um dispositivo EIA-232 possui os seguintes sinais:

• DCD - Data Carrier Detect - Detecção de portadora de dados
  
• Rx - Receive data - Recepção de dados
• Tx - Transmit data - Transmissão de dados
• DTR - Data Terminal Ready - Terminal de dados pronto
• GND - Signal Ground - Tensão de referência
• DSR - Data Set Ready - Conjunto de dados pronto
• CTS - Clear to send - Pronto para enviar
• RTS - Request to send - Requisição para envio
• RI - Ring Indicator - Indicador de chamada

Todos esses sinais foram criados tanto para o envio e recebimento efetivo dos dados como também para o controle do fluxo desses dados. Entretanto, a maioria dos dispositivos atuais não utiliza controle de fluxo por hardware, ou seja, dispensa a maior parte dos terminais, utilizando apenas Rx, Tx e GND. Geralmente, os cabos utilizados no padrão RS-232 podem ter um comprimento máximo em torno de 20 metros, o que viabiliza apenas a comunicação de dispositivos próximos ou no mesmo painel.

Em particular, baseado em minha própria experiência, estimo que 60% dos problemas de comunicação de dados em EIA-232 está na ligação errada dos cabos de comunicação. E realmente, não é muito fácil construir um cabo de comunicação serial, mas existem alguns macetes (que não são encontrados em nenhum livro, pelo menos que eu conheça) que podem ser aplicados.

Uma regra que quase sempre funciona da primeira vez (se houver tempo para colocar em prática a técnica da "tentativa e erro") é observar o tipo de conector usado. Geralmente, os dispositivos que apresentam um conector DB9 do tipo macho, são dispositivos DTE (Data Terminal Equipment) e os que apresentam um conector DB9 do tipo fêmea, são dispositivos DCE (Data Communication Equipment). Para interconectar um dispositivo DTE em um DCE, basta interligar cada pino do DB9 Macho ao DB9 fêmea (1 com 1, 2 com 2... etc).

Por exemplo, o manual da CPU 5/05 de um PLC Rockwell familia SLC-500, mostra a pinagem para a porta serial mostrada na Figura 1. Observa-se que o mesmo possui um conector DB9 Macho.

Figura 1 - Porta serial de um PLC SLC-500 (CPU 5/05)

Suponhamos que seja necessário interligar esse PLC a um Gateway Wireless do Fabricante ELPRO, que é um equipamento destinado à comunicação de dados e I/O via rádio, sendo possível estabelecer a comunicação com o mesmo através do protocolo DF1 (RockWell). A pinagem da porta serial desse dispositivo é mostrada na Figura 2. Embora não esteja representado na figura, mas o dispositivo possui um conector DB9 fêmea.

Figura 2 - Pinagem da porta serial do Wireless Gateway ELPRO

Como pode ser observado através das Figuras 1 e 2, todos os sinais das portas seriais são acompanhados das indicações de Input/Output para aquele dispositivo, ou seja, há uma representação se, para um dado dispositivo, os sinais são de entrada ou saída. Assim, basta interligar os sinais que se complementam. Nesse caso, para interligar o PLC Rocwell ao Gateway ELPRO, o cabo seria como o mostrado na Figura 3.

Figura 3 - Pinagem do cabo serial

É importante deixar claro que a Figura 3 representa um cabo para qualquer situação (utilização ou não de controle de fluxo via hardware), sendo que, para os casos onde não for utilizado controle de fluxo, bastam as ligações em vermelho.

Se fôssemos interligar dois PLCs através de portas seriais, conforme a ilustrada na Figura 1, teríamos que fazer um cabo "cruzado", conforme mostra a Figura 4.

Figura 4 - Cabo serial para interligar dois PLCs RockWell

Dessa maneira, pode ser estabelecida a seguinte sequência para determinar a pinagem de um cabo de comunicação serial:

1. Se os manuais estiverem disponíveis, verificar os sinais disponíveis e o sentido dos mesmos (Entrada ou saída), interligando os sinais de mesmo nome de acordo com o sentido.
2. Se os manuais estiverem indisponíveis, verificar os conectores utilizados. Se do mesmo tipo (DB9 Macho ou DB9 Fêmea), utilizar cabo cruzado (Figura 4). Se de tipos diferentes, utilizar cabo direto (Figura 3).

RS-485/EIA-485

Este também foi um dos primeiros padrões recomendados para comunicação ponto-multiponto e é adotada por diversas redes industriais, como a Profibus-DP. O padrão RS/EIA-485 pode ter 2 fios, podendo operar nesse caso em half-duplex ou 4 fios, possibilitando a operação em full-duplex. O padrão a 2 fios é o mais utilizado, por simplificar todo o processo de instalação.

O padrão RS/EIA-485 permitem cabos com um comprimento até 1,2km, dependendo do baud rate utilizado, sendo necessária a terminação da rede nas extremidades, ou seja, no início e no final da rede, é necessário instalar um resistor de terminação, geralmente na faixa de 120 ohms a 390 ohms. Por praticidade, todos os fabricantes incluem um resistor interno, ativado por uma chave ou dipswitch, para facilitar a instalação e contribuir para um aspecto final mais profissional (imagine um resistor pendurado nos terminais).

A Figura 5 mostra um exemplo de uma rede que utiliza o meio físico RS/EIA-485 a 2 fios. Observe a representação dos resistores de terminação. Esses componentes são requeridos para eliminar a reflexão de sinal entre os terminais da rede, bem como a redução de ruídos em função da redução da impedância da linha (esse é um outro assunto muito extenso, que poderá ser pesquisado na Internet, através da busca personalizada deste blog).

Figura 5 - Meio físico RS/EIA-485 a 2 fios

Alguém pode dizer: "Fiz um teste de comunicação entre equipamentos usando RS-485 em uma bancada e funcionou sem os resistores de terminação. Será que são mesmo necessários?". Ok, tudo bem, mas o comprimento do cabo representa todo o problema. Já vi uma rede Profibus-DP que funcionou durante 5 anos sem a terminação em uma das extremidades. O comprimento do cabo era de aproximadamente 20 metros. Numa expansão que trabalhei nessa rede o cabo passou a ter aproximadamente 50 metros e sabe o que aconteceu quando o sistema foi testado? Não funcionou até que a terminação da outra extremidade fosse colocada. Logo, se o cabo é curto e o ambiente não é muito ruidoso, e o baud rate não é muito elevado (no caso da Profibus, o limite é 12Mbps) é provável que a rede opere sem maiores problemas. Mas, para não ter dor de cabeça, é melhor fazer as terminações corretamente.

Conclusão

Nesse post foi possível observar algumas características dos principais meios físicos e seus parâmetros. É claro que existem outros e possivelmente serão abordados em outros posts. No próximo post a idéia é abordar a respeito dos protocolos e configurações de alguns tipos de redes (Uma serial, usando protocolo Modbus RTU e outra mais encorpada, como a Profibus-DP).

Deixe o seu comentário. Agradeço aqueles que têm dado um retorno sobre a utilidade desse blog. Em breve postaremos também vídeo-aulas, que acredito que vão ajudar a disseminar ainda mais os conhecimentos sobre automação industrial!

Um grande abraço!