O Modbus Serial

A estrutura OSI - Ethernet

O Modbus ainda é o mais aberto, simples e consagrado protocolo de automação industrial. Em 2002 (Durante a ISA 2002), foi criada a organização sem fins lucrativos, Modbus organization (www.modbus-ida.org) dedicada à proliferação e evolução ordenada do Modbus. O Modbus introduzido pela Modicon em 1979, rapidamente tornou-se um padrão (defacto) industrial e tem sido implementado por centenas de fabricantes nas mais variadas aplicações e segmentos industriais. Sua popularidade aumentou pela disponibilidade de código fonte gratuito pela internet.

Atualmente no mundo, diversos laboratórios de conformidade Modbus estão sendo formados. Estes laboratórios são responsáveis em desenvolver códigos de função específicos, testes de conformidade e tecnologias que envolvem segurança e tecnologia wireless.

O Modbus trata-se de um protocolo serial com estrutura master-slave, permitindo endereçar até 247escravos Suas velocidades padrões são de 9,6kbps e 19,2kbps, porém com algumas variações, podendo ser implementado em até 115 kbps

O interessante que mesmo algumas redes com velocidades nominais acima dos 19,2 kbps , apresentam redução de performance com a adição de nós ou acréscimo de distância aproximando-se das velocidades nominais do Modbus.

A oferta de produtos com disponibilidade do Modbus é muito ampla: Instrumentação, equipamentos especiais (analisadores), Drives, I/O distribuído, PLCs, RTUs, SDCDs, SCADA, Gateways, Modems, IHMs, Displays. Esta ampla variedade se deve a fácil implementação do protocolo.

Porém, como seria possível, aumentar a capacidade do Modbus e os seus recursos sem perder a abertura e facilidade do protocolo?

A resposta chama-se Modbus TCP

O Modbus em Ethernet TCP/IP

Para qualquer entendimento sobre a rede Ethernet é preciso um foco inicial na teoria básica de redes de comunicação. A teoria será um fator determinante para a compreensão e principalmente como uma ferramenta de comparação e análise crítica das diversas tecnologias que estão surgindo recentemente.

A International Standard Organization (ISO) propõe um modelo para a estrutura de comunicação com sete funções especiais. Esta estrutura, denominada OSI (Open Systems Interconnect) permite interconectar sistemas abertos e oferece ao usuário a possibilidade de garantir a interoperabilidade dos produtos. Desta forma, a conectividade direta é garantida se os sistemas atenderem todas as sete funções.
A estrutura OSI – Ethernet
A seguir, faremos uma análise das principais camadas e a razão da existência da cada uma.

O Ethernet (Meio Físico)

Vejam que a palavra Ethernet somente refere-se ao meio físico do sistema. O meio físico apenas determina padrões elétricos , de cabeamento e conexões.

Contudo o mercado cada vez mais está adotando a solução Ethernet como meio físico pela consolidação desta tecnologia no ambiente industrial (existem mais nós instalados e especialistas em layout de rede Ethernet do que qualquer outra tecnologia de rede). Diferentemente de uma tecnologia proprietária, a Ethernet é amplamente dominada (não exigindo conhecimento específico) e a oferta de acessórios e recursos é ilimitada e em franco desenvolvimento (hubs, switches, roteadores, bridges, wireless, rádios e hardware para segurança). A própria evolução e revolução da informática é vetor de desenvolvimento da tecnologia Ethernet (não sendo dependente de um fabricante ou um pequeno grupo de fabricantes). Além do mais, todas as normas e regras de layout de rede Ethernet são válidas para os equipamentos de automação.

Trata-se de uma tecnologia com evolução e vida longa garantida.

TCP/IP

Estamos nos referindo ao meio físico e ao protocolo. Ambos necessários para existir uma rede. Portanto qual é a utilidade do TCP/IP?

Aliando as potencialidades do meio físico Ethernet, procurou-se agregar aos produtos de automação, serviços TCP/IP (de informática e internet). Recursos disponíveis no set de funções TCP/IP são agregados aos produtos. Desta forma, como exemplo, seguem os principais serviços disponíveis:
• Servidores WEB (Protocolo http): Os produtos possuem um servidor WEB incorporado, isto é, através de qualquer navegador internet padrão de mercado será possível acessarmos WEB pages prontas para diagnóstico, alarmes e status dos produtos.

 Home-page customizada pelo usuário

Os Módulos Ethernet dos PLCs mais modernos do mercado permitem a customização das suas Home-pages, permitindo a criação de telas personalizadas
• Serviço de e-mail (e-mail server): Os Módulos Ethernet dos PLCs estão dotados de servidores de e-mail, após um evento, o PLC envia diretamente um e-mail aos endereços solicitados
• Interface com banco de dados: Os Módulos Ethernet dos PLCs possuem conectividade com bancos de dados relacionais (SQL server, Oracle, MySQL)
• SNMP (Service Network Management Protocol): O SNMP permite o diagnóstico do dispositivo na rede através de ferramentas usuais de mercado de gerenciamento de redes
• BOOTP (Bootstrap Protocol): Os equipamentos podem ser endereçados automaticamente em uma rede Ethernet (as remotas solicitam e assumem automaticamente os seus endereços de um PLC com servidor de BOOTP)
• DHCP (em automação associado à um recurso importante chamado FDR): O DHCP trata-se de uma função similar ao BOOTP, contudo, o equipamento retorna ao servidor o seu endereço na sua ausência da rede. Este recurso é utilizado para uma função chamada de FDR (Fault Device Replecement), com este recurso, uma remota defeituosa retorna as suas informações ao servidor que devolve os dados para uma nova remota que substituiu a primeira (não existindo a necessidade de uma nova reconfiguração)

Ethernet TCP/IP Modbus (protocolo)

Para existir comunicação, conforme indicado, as 7 camadas dever ser consideradas. Somente o Ethernet TCP/IP não é suficiente para a comunicação dos sistemas. Um protocolo de comunicação deve estar presente.

Desta forma, é proposto o sistema o Ethernet TCP/IP com protocolo Modbus. O Protocolo Modbus, é um protocolo efetivamente aberto e de fácil desenvolvimento. Assim associa-se a simplicidade e abertura do Modbus à potencialidade do Ethernet TCP/IP

Além do mais, a conectividade entre sistemas distintos torna-se extremamente simples. Equipamentos Modbus seriais de inúmeros fabricantes poderão ser conectados facilmente a esta rede. Desta forma, é possível incluirmos equipamentos importantes que ainda não possuem incorporadas portas Ethernet ( Inversores de Freqüência, relés de proteção, entre outros)

Em resumo, a solução baseia-se em Ethernet (com a flexibilidade, facilidade de suporte e disponibilidade de acessórios), TCP/IP (recursos de informática e internet) e Modbus.

Modbus – O Reconhecimento do Mercado

O Modbus é o único protocolo de mensagens já reconhecido pelo mundo da internet (porta 502).

Atualmente, recentes pesquisas de mercado, indicam o Ethernet TCP/IP baseado em Modbus na liderança global em dispositivos Ethernet industriais instalados (e variedade de dispositivos).

O perfil Modbus TCP/IP foi aceito pela IEC como PAS (Publicly Available Specification) e agora elegível para ser parte das futuras edições dos padrões internacionais IEC 61158 e IEC 61784-2.

A China tornou-se um espelho das grandes revoluções no mundo, recentemente a Standardization Administration of China (SAC), formalmente lançou os seguintes padrões industriais para serem adotadas na República Popular da China:

· GB/Z 19582.1-2004 Modbus Industrial Automation Network Specification Part 1 Modbus
Application Protocol
· GB/Z 19582.2-2004 Modbus Industrial Automation Network Specification Part 2 Modbus
Protocol Implementation Guide over Serial Link
· GB/Z 19582.3-2004 Modbus Industrial Automation Network Specification Part 3 Modbus
Protocol Implementation Guide over TCP/IP

O Modbus em tempo real


O Modbus TCP/IP, a princípio, trata-se de um protocolo simples com mensagens e padrão cliente/servidor. Com esse protocolo, encontra-se uma quantidade substancial de dispositivos no mercado e com rápido crescimento. A explicação deste crescimento é baseada em dois conceitos: abertura e simplicidade, permitindo um excelente custo benefício para desenvolvimento.

Os padrões de comunicação baseados em plataformas cliente / servidor não são sempre os mais indicados, principalmente em aplicações que exigem sincronização dos dispositivos em tempo real em arquiteturas distribuídas.

A comunicação cliente/servidor implica em um servidor central conectado a múltiplos clientes. Este tipo de comunicação trabalha bem quando a informação é centralizada com bases de dados centralizadas. Contudo, ela perde performance e determinismo quando a informação entre clientes deve ser trocada.

Contudo para aplicações com outros níveis e exigência, implementou-se o Modbus com o conceito Publish/Subscribe – Os nós publicam as informações que eles produzem e os outros requisitam as informações que eles precisam.

A informação não precisa ser lida ou realizado “polling” Ela é tornada disponível no cabeamento simplificando tremendamente a programação dos dispositivos. Não existe a necessidade de mapas internos de memória ou bases de dados de dispositivos desconhecidos. As solicitações de mensagens em plataformas publisher / subscriber são reduzidas à metade. Além disso, não existe polling. A mensagem é somente enviada uma vez pelo publisher quando existem novas informações.

Também é possível utilizar tecnologias multicast, que permitem o envio de uma mesma mensagem para múltiplos nós (mais eficiente do que disparar mensagens individuais para cada um).

Protocolo Real Time Publish/Subscribe

Uma tecnologia chamada de real-time publish-subscribe (RTPS) é adicionada aos equipamentos e é baseada em um protocolo aberto em padrões industriais. O protocolo é implementado nas camadas do modelo OSI. O protocolo RTPS proporciona serviços publisher subscriber sobre o padrão industrial UDP / IP. Alguns serviços básicos incluem comunicação de um dispositivo para vários ou comunicação entre vários dispositivos.

• Hotswap automático para publishers redundantes p/ transparência nas falhas
• Controle do fluxo de dados
• Criam-se limites para as mensagens em processos determinísticos
• Multicasting

A implementação de alguns protocolos publish-subscribe é baseada em um sistema chamado de NDDS (Network Data Delivery Service)

O NDDS é uma implementação completa do RTPS. E encontra-se disponível em uma larga variedade de sistemas operacionais em tempo real.

 The Transparent Factory Communication Stack


 Vejam que manipula-se o Modbus nos pacotes e serviços do TCP/UDP/IP. Algumas tecnologias que procuram o determinismo total, optaram por caminhos diferentes utilizando-se de hardware / chips dedicados para este tipo de funcionalidade, e por consequência fugindo das camadas padrões do Ethernet TCP/IP. Sabe-se que por natureza a Ethernet não é determinística pela sua própria característica (CSMA/CD Collision Detection protocol). Tecnologias que oferecem uma “ Ethernet determinística” certamente utilizam-se de padrões proprietários e na contra-mão da abertura para o TCP/IP.

Qualquer tecnologia que se intitula Ethernet não proprietária, deve permitir a utilização de hardware de mercado (switchs, hubs, roteadores...). A necessidade da utilização de hardware dedicado foge deste princípio de abertura.



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