Tecnologia Profinet 3g5h4z

TECNOLOGIA PROFINET INTEGRANTES: LUCIO DOS SANTOS NASCIMENTO RAFAEL LEAL LEONI VA N E S S A A LV E S D E M O R A I S

UMA INTRODUÇÃO... O Profinet é uma rede padronizada pela Associação Profibus Internacional como uma das quatorze redes de Ethernet industrial. A norma que regulamenta o Profinet é a IEC61158-5 e IEC61158-6, sendo o décimo protocolo incluso nessa norma (Type 10). Basicamente, há dois tipos de redes Profinet: Profinet IO e Profinet CBA. O Profinet IO é utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e o Profinet CBA é utilizado em aplicações onde o tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede Profibus DP. O Profinet IO é, na realidade, uma extensão do protocolo Profibus DP. Ele opera diretamente com os elementos de campo, realizando leituras de sensores, atualizações dos sinais de saída e controle de diagnósticos da rede. A rede Ethernet industrial Profinet IO descreve um modelo de dispositivo que é baseado em características essenciais do Profibus DP, incluindo canais para cada elemento alocado na rede. As características dos dispositivos de campo são descritas via GSD em uma base XML.

NÍVEIS OSI  O PROFInet é uma rede padronizada pela Associação Profibus Internacional como uma das quatorze redes de Ethernet industrial. A norma que regulamenta o PROFInet é a IEC61158-5 e IEC61158-6, sendo o décimo protocolo incluso nessa norma.  A figura abaixo ilustra como o PROFInet definiu suas camadas baseadas na arquitetura T/IP.

 pela figura acima, nota-se que o PROFInet pode ter três formas distintas de operação, sendo duas delas para tempo real e uma para não tempo real.  A primeira maneira baseia-se na arquitetura T/IP pura, utilizando Ethernet na camada um e dois, o IP na camada três e o T ou UDP na camada quatro. Essa arquitetura é chamada de Non-real time (Non-RT).  A segunda maneira baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT), caracterizando-se por ser um canal que interliga diretamente a camada da Ethernet à aplicação. Com a eliminação de vários níveis de protocolo, há uma redução no comprimento das mensagens transmitidas, necessitando de menos tempo para transmitir os dados na rede. Podem-se utilizar os dois tipos de PROFInet, CBA e IO, nesse caso.  A terceira maneira baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT), para aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor do que 1ms. Utiliza-se o PROFInet IO para este caso.

PADRÃO, TÉCNICAS DE COMUTAÇÃO E MÉTODOS DE O 

PROFInet é um padrão aberto baseado no padrão Industrial Ethernet. Utiliza também padrões T/IP, RT e IRT

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O modelo de comutação do PROFInet IO baseia-se em vários anos de experiências com o PROFIBUS DP-V1. O método de o mestre/escravo foi representado em um modelo “Provider-Consumer”. Assim, para a transmissão de dados entre o controlador IO e as unidades IO são utilizados vários canais de comunicação (Broadband). Os dados IO cíclicos e os alarmes controlados por evento (PLC), são transmitidos em tempo real. Na elaboração do projeto, configuração e informação de diagnóstico é utilizado o canal padrão com base no protocolo UDP/IP.

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O acionamento da comunicação do PROFInet é feito através da comunicação entre o controlador IO do PROFInet e o MOVIDRIVE B. Durante a configuração do projeto é indicado o segmento dos dados utilizados para a troca das palavras de dados do processo com o controlador. É distinguido entre valores de referência (dados de saída do processo) e valores de chegada (dados de entrada do processo). Assim, no MOVIDRIVE B, os conteúdos dos dados estão codificados seguindo o perfil requisitado. A atribuição dos dados pode ser configurada através do parâmetro P870.

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A unidade PROFInet é seguida de forma cíclica pelo controlador IO PROFInet. A unidade constata um timeout do barramento externo se não receber nenhuma mensagem de dados do processo durante um período correspondente a três vezes a duração regular do ciclo da transmissão.

 O PROFInet pode ter três formas distintas de operação, sendo duas delas para tempo real e uma para não tempo real.  A primeira maneira baseia-se na arquitetura T/IP pura, utilizando Ethernet na camada um e dois, o IP na camada três e o T ou UDP na camada quatro. Essa arquitetura é chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento aproxima-se dos 100ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação é de configuração da rede ou na comunicação com os Proxis, utilizando o Profinet CBA.  Proxis são conversores de um determinado protocolo em outro (por exemplo, de Profinet para Profibus DP ou de Profinet para Interbus S), conforme mostrado na figura:

 A segunda maneira baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT), caracterizando-se por ser um canal que interliga diretamente a camada da Ethernet à aplicação. Com a eliminação de vários níveis de protocolo, há uma redução no comprimento das mensagens transmitidas, necessitando de menos tempo para transmitir os dados na rede. Podem-se utilizar os dois tipos de PROFInet, CBA e IO, nesse caso.  A terceira maneira baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT).

O FORMATO DO FRAME 

A figura abaixo mostra a disposição dos campos do frame. O PROFInet IO segue a mesma estrutura que o campo Ethernet.

 A grande diferença está no campo Frame ID. Nesse campo é possível distinguir se o quadro é IRT, SRT ou Non-RT, de acordo com os dois bytes do campo. Cada valor deste campo, define a maneira como as mensagens serão trafegadas na rede, por exemplo: de 0000h a 00FFh, quadro IRT, de 8000h a FBFFh, quadro SRT e de FC00h a FE02h, quadro Non-RT. De acordo com a figura abaixo, a quantidade mínima de bytes do quadro PROFInet IO é de 72 bytes, contando cabeçalho, informação e verificação de erro.

 O preâmbulo são bits auxiliares que identificam o início da transmissão. Servem para sincronizar o elemento que deseja transmitir seus dados com o clock da rede. O padrão para cada byte é AAh (10101010).  Os endereços de origem e destino identificam quem está transmitindo e quem está recebendo as informações. Esses endereços são conhecidos como endereços MAC e possuem 48 bits (6 bytes) de comprimento. O endereço MAC é o endereço físico do elemento de rede. Os três primeiro bytes são destinados à identificação do fabricante, os três posteriores são fornecidos pelo fabricante para identificação do módulo na rede PROFInet.  O campo Tipo e Frame ID identificam o tipo de informação a ser transmitida e o tamanho do campo de dados. O campo de dados pode variar de 36 a 1472 bytes. No quadro Ethernet IEEE802.3, a variação do campo de dados é de quarenta e seis a mil e quinhentos bytes (cabeçalho e informação). Essa diferença é justamente para aplicações IRT, com a diminuição do campo de dados e, consequentemente, do tempo de reposta da rede.  A verificação de erro é do tipo CRC, onde se tem um polinômio de grau trinta e dois para efetuar a operação matemática de verificação de erro na mensagem transmitida.  Outro ponto a ser destacado é o atraso da rede com relação ao switch. É importante levar em consideração esse tempo na hora de calcular o ciclo de varredura da rede ou no atraso que um elemento pode causar se houver muitos switches na rede.

A VELOCIDADE DE TRANSMISSÃO  A velocidade de transmissão do PROFInet é dada a partir de uma estrutura de classificação, que é o ponto básico para o tempo de reação que define a agilidade desta tecnologia. Os três tipos de classificações são listados abaixo: • A primeira classe de velocidade tem um tempo de reação em torno de 100 ms. Esta exigência de cronometragem é típica para o caso de humanos envolvido na observação de sistema (10 quadros por segundo já é bem visto como um filme de baixa qualidade), por criar, e por monitorar processo. Esta exigência pode ser cumprida com um sistema padrão com canal de comunicação de T/IP sem muitos problemas. Essa arquitetura é chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento aproxima-se dos 100ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação é de configuração da rede ou na comunicação com os Proxis, utilizando o Profinet CBA. • Em uma segunda classe a exigência é um tempo de reação abaixo de 10ms. Esta é a exigência para a maioria das máquinas de controle de sistema igual PLCs ou controle baseado em PC. Alcançar este comportamento de cronometragem requer um cuidado especial no equipamento de RTE: são necessários recursos de computadores poderosos e caros para controlar o protocolo de T/IP em tempo real ou a pilha de protocolo deve ser simplificada e deve ser reduzida para adquirir estes tempos de reação em recursos simples e baratos.

• A terceira é a classe de maior exigência, baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT) , sendo determinada pelas exigências de controle de movimento: sincronizar várias reduções em cima de uma rede em um tempo de ciclo de menos 1ms com uma precisão de sincronização de não mais que 1μs. Utiliza-se esta velocidade em aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor do que 1ms. Uma aplicação típica deste conceito é o controle de movimento de robôs, quando o tempo de atualização dos dados deve ser pequeno. 

A figura abaixo ilustra os conceitos do Non-Real-Time (aplicações com tempos de varredura em torno de 100ms), Soft Real Time (aplicações com tempos de varredura em torno de 10ms) e Isochronous Real Time (aplicações com tempos de varredura menores do que 1ms).

 PROFINET foi principalmente definido pela Siemens e a a PROFIBUS International. Uma primeira versão de componentes de automação de dom básicos que estão conectados em cima de conexão de T/UDP/IP. Um segundo o era a definição de uma solução de Tempo real (RT) para PROFINET I/O. Nesta classe de versão 2 o desempenho é alcançado também para sistemas pequenos e baratos eliminando a pilha de T/IP para dados de processo. Contribuição e produção (I/O) dados são diretamente acumulados na armação de Ethernet com um protocolo especializado. Comunicação de Classificação 3 é alcançada com um switch especial ASIC pequeno e estável por tempo e mecanismo de prioridade especial para dados de tempo real. A sincronização está baseada na extensão da IEEE 1588 usando tempo rápido.  A primeira aplicação planejada para PROFINET IRT (Tempo real de Isochronous) é o PROFIdrive, utilizado para aplicações de controle de movimento.

A TOPOLOGIA 

Há razões diferentes para novas definições e diretrizes para Ethernet Industrial. Era pretendido que o Ethernet na área de escritório era usado com instalações básicas fixas em um edifício, ado debaixo do chão, elevado com conexões de dispositivo variáveis para o lugar de trabalho e cabos de conexão de dispositivo pré-fabricados em uma estrutura de rede em forma de árvore. Em tecnologia de automação o cabeamento está largamente relacionado com o sistema, os pontos de conexão raramente são mudados e deveriam estar diretamente preparados no campo.

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A partir das diferenças de manipulação, há uma diferença distintiva na topologia de rede. As pessoas de TI na indústria estão usando em suas máquinas uma topologia de barramento com um fieldbus e não com topologia de estrela (vide figura). Na realidade, a eliminação deste esquema de cabeamento era, há vários anos atrás, um dos pontos de partida de desenvolvimentos do fieldbus. Outra estrutura de rede típica é a de anéis.

MODO DE TRANSMISSÃO  A norma I3E 8002.3af descreve que a alimentação deve estar entre 44Vcc e 57Vcc (48Vcc é a tensão nominal) e a potência do sinal deve ser, no máximo, de 15.4W (máximo de 350mA para a tensão de alimentação de 44Vcc, 0,35A * 44V = 15,4W).  O grande objetivo para o uso desta tecnologia é a comunicação full-duplex (onde se dobra a taxa de transmissão, pois ocorre comunicação simultânea nos dois sentidos, recepção e transmissão simultaneamente). Na figura abaixo, a configuração “(a)” é para a operação no modo full-duplex. Nesse modo, os canais de transmissão e recepção estão separados fisicamente no cabo da rede (dois pares) e a alimentação de 48Vcc em outros dois pares.

(a)

(b)

 Normalmente, não se utiliza tensão de 48Vcc na automação, sendo mais comum o uso de tensões de 24Vcc ou 12Vcc. Assim, é necessário o uso de um conversor DC/DC para transformar o sinal de 48Vcc para outro qualquer.

 A grande desvantagem dessa configuração é a necessidade de polaridade nos terminais de alimentação, a fim de diferenciar os sinais, em modulação em amplitude, positivos e negativos.  Na figura “(b)”, a configuração é para a operação no modo half-duplex (comunicação em dois sentidos, recepção e transmissão, mas não simultaneamente). Nesse modo, o cabo é comum tanto para a alimentação quanto para a comunicação, não necessitando de uma polaridade específica nos terminais. É necessária uma modulação em amplitude sobre a alimentação para não interferir no sinal de comunicação trafegado no cabo.  O sinal de comunicação trafega apenas em um sentido, devido o mesmo meio transmitir e receber o sinal.  O grande problema dessa configuração é garantir o isolamento mínimo requerido entre a alimentação e a comunicação, que pela I3E 802.3af é de 1500Vac.

MEIOS DE TRANSMISSÃO  Para exemplificar o meio de transmissão PROFInet, pode-se utilizar o RJ45 ou o M12-4.  Abaixo segue detalhamento e ilustrações do M12-4.

Tipo: M12 connector IEC 61076-2-101 (Sensor/Actuator cable, 4-position, Plug, straight M12, A-coded, on Socket, straight M12, A-coded, Cable length: Free input) Método de operação: de -25ºC a 90ºC (Conector Macho/Fêmea) Alcance: de 0,2 a 40m Cores: Verde, preto, laranja, amarelo e roxo. Peso: 0,861 libras Fabricante: Phoenix

MEIOS DE TRANSMISSÃO A seguir, segue um exemplo de um conector RJ 45 industrial, que opera de - 40ºC a + 80ºC, IP67, Harting (uso na rede Profinet) e um cabo utilizado para Ethernet industrial (quatro e oito vias, ambos com blindagem) Figura – Conector RJ 45 industrial e cabo blindado para rede Ethernet industrial.

PROFINET starter kit 3.0 inclui um controlador IO PROFINET, os módulos do terminal rodoviário, de módulos de IO, switch gerenciável, fonte de alimentação, além de órios e cabos para a criação de um aplicativo de teste PROFINET. Um exemplo de projeto e PC WORX chave de licença 6 também estão incluídas.

Programa e memória de configuração, plug-in, 256 MB

Patch cabo CAT5, montado 1,0 m

Dirigido compacto Smart Switch com oito portas RJ45 Fast Ethernet. PROFINET é ativado por padrão no momento da entrega.

Inline terminal de entrada digital, as versões Inline ME (edição de máquina) completo com órios (conectores e rotulagem de campo), Quatro entradas, 24 V DC, 2, 3 condutores método de conexão

Inline terminal de saída digital, versões Inline ME (edição de máquina) completo com órios (conectores e rotulagem de campo), quatro saídas de 24 V DC, 500 mA, 2, 3 condutores método de conexão

PROFINET acoplador de bus, 8 entradas, 24 Vcc, 4 saídas de 24 V DC, 500 mA, completo, com conectores de I / O

Inline Controlador com PROFINET interface para o acoplamento com outros controladores e sistemas, com opções de programação de acordo com a IEC 61131-3, com conector e campo de rotulagem

Cabo de conexão, para conectar remoto Campo Controladores para um PC (RS-232) para PC WORX, 3 m de comprimento.

Trilho DIN fonte de alimentação 24V DC/1.5 A, principal-switched modo de design de baixo perfil.

CODIFICAÇÃO DE LINHA Requisitos: • Componente contínua nula Esta característica é conveniente se houver transformadores no sistema, pois estes bloqueiam a componente contínua dos sinais à entrada. • Suficiente informação de temporização para a recuperação de relógio no receptor. • Espectro de freqüência com pequena largura de banda situada a baixas freqüências. Para minimizar a influência de “crosstalk”, ruído térmico, ruído impulsivo, interferências rádio e atenuação em cabos. • “Transparência” (isto é, adequação) para todos os tipos de mensagens • Descodificação unívoca (sem ambigüidades)

• Elevada imunidade a perturbações aditivas Esta característica favorece um sinal de linha binário porque combina boa qualidade de detecção no receptor com facilidade de geração no emissor. • Capacidade de correção de erros • Facilidade de equalização das características do canal, se necessário • Relação linear entre os sinais codificados e descodificados, se sestic usar filtragem transversal adaptativa

CÓDIGOS DE LINHA: ONDE SE USAM? • AMI Primeiro a ser usado nos sistemas de pares simétricos de cobre. Substituído por códigos AMI modificados. • HDB3 Norma G.703 da ITU-T para sistemas PCM multiplexados a 2, 8 e 34 Mbits/s. • CMI Norma G.703 da ITU-T para PCM multiplexado a 140 Mbits/s.

• 4B3T Sistemas de alta capacidade (sistemas de longa distância em cabo coaxial a 34 e 140 Mbits/s). Segue abaixo, figura demonstrativa:

• Código bifásico (Manchester) Distribuição de sinais de relógio em circuitos VLSI. Gravação magnética. Redes locais Ethernet.

Sistema RDS (“Radio Data System”) em radiodifusão FM. • 2B1Q o básico da RDIS (160 kbits/s) • nBmB (5B6B, etc.) Sistemas de alta capacidade com grande largura de banda (fibras ópticas)

CODIFICAÇÃO DE LINHA EM PROFINET •

A tecnologia de transmissão é síncrona com codificação Manchester em 31.25 Kbits/s (modo tensão), está definida segundo o IEC 61158-2 e foi elaborada no intuito de satisfazer os requisitos das indústrias químicas e petroquímicas: segurança intrínseca e possibilidade de alimentar os equipamentos de campo pelo barramento. As opções e os limites de trabalho em áreas potencialmente explosivas foram definidos segundo o modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept).

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A tabela abaixo mostra algumas características do IEC 61158-2:

BIBLIOGRAFIA http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/466 http://www.eurodrive.de//pdf/11419458.pdf www.siemens.com.br/templates Artigo 208 - Uma visão do protocolo PROFInet e suas aplicações. (Disponível em www.inatel.com.br) http://www.bm-group.com.br/arquivos/max/ethernet-industrial-padrao.pdf http://eshop.phoenix.de/phoenix/assets.do?action=techdata&artnr=1552793&general=brpt

http://-net-a.unifei.edu.br/phl/pdf/0032093.pdf http://www.phoenix.com.br/empresa/search.jsp?q=profinet http://paginas.fe.up.pt/~sam/homepage/activ_prof.htm

Artigo Técnico Íntegra – O que é rede PROFIBUS (Disponível em: http://www.caautomacao.com.br/)