¨¦ evidente o crescimento da oferta e aceita??o de redes sem fio (wireless) no meio industrial. Quest?es como confiabilidade, seguran?a, lat¨ºncia e determinismo s?o diferentemente abordadas por protocolos sem fio como Wireless HART, ISA 100.11a, ZigBee, entre tantos outros. Estes protocolos enquadram-se numa categoria mais ampla denominada ¡°Redes de Sensores Sem Fio¡± e h¨¢ grande quantidade de material publicado e produtos j¨¢ dispon¨ªveis nesta categoria de redes de sensores sem fio.??

O padr?o el¨¦trico de redes de comunica??o cabeada mais difundido na ¨¢rea de manufatura industrial ¨¦ o EIA/TIA-485 (RS-485). E nestas redes destaca-se o protocolo Modbus RTU, um protocolo simples e com imensa oferta de produtos em todo o mundo.??

A maioria dos conversores de comunica??o cabeada para dispositivos sem fio imp?em desafios de aplica??o com o protocolo Modbus RTU, devido ¨¤ dificuldade em ajustar os tempos de comunica??o. Especialmente em redes que operam produtos de diferentes fabricantes, ¨¦ muito dif¨ªcil configurar os conversores para garantir que os pacotes de comunica??o Modbus RTU n?o sejam fracionados durante o processo de comunica??o. O fracionamento pode provocar erro de comunica??o com alguns dispositivos da rede, aumentando o tr¨¢fego com tentativas e causando grande degrada??o de desempenho.??

Este artigo apresenta solu??es para a cria??o de redes ou sub-redes Modbus RTU sem fio facilmente integr¨¢veis aos sistemas cabeados baseados neste mesmo protocolo. Para prover a conectividade sem fio ¨¦ adotado o padr?o IEEE 802.15.4, o mesmo utilizado na grande maioria dos sistemas de ¡°Redes de Sensores Sem Fio¡±. Caracter¨ªsticas inerentes ao protocolo Modbus RTU, como o r¨ªgido requisito temporal, forma??o e delimita??o de pacotes, baixa velocidade, n¨²mero de escravos e mestre ¨²nico s?o tratados pelo AirGate-Modbus para garantir a correta opera??o do protocolo Modbus RTU, mesmo quando operando sem fios.??

Criando redes Modbus RTU sem fio?

AirGate-Modbus ¨¦ um gateway que integra redes Modbus RTU sobre RS485 em uma ou mais redes sem fio IEEE 802.15.4. Essa integra??o ¨¦ realizada de forma transparente para a rede Modbus, assim possibilitando a simples substitui??o de longos trechos de cabeamento por segmentos sem fio.??

Cada gateway disp?e de tr¨ºs interfaces de comunica??o: USB, RS-485 e IEEE 802.15.4. Diferentes arranjos entre as redes cabeadas e sem fio s?o poss¨ªveis, de acordo com a configura??o de cada uma destas interfaces.??

A interface IEEE 802.15.4 opera em topologia estrela e permite que m¨²ltiplas estrelas sejam configuradas, viabilizando a solu??o de problemas complexos de conectividade sem fio. O gateway utiliza mecanismos internos do padr?o IEEE 802.15.4 para garantir a opera??o da comunica??o sem fio mesmo sob interfer¨ºncia de outros dispositivos operando na mesma faixa de frequ¨ºncia. A sele??o autom¨¢tica do canal de comunica??o (de um total de 16) ¨¦ feita baseada no mecanismo Energy Detection (detec??o da energia) e Quality of Signal (qualidade do sinal), combinados com a taxa de erro na comunica??o Modbus RTU sem fio. Este mecanismo promove a troca autom¨¢tica de canal sempre que h¨¢ queda de desempenho ou qualidade na rede sem fio. A frequ¨ºncia central de opera??o ¨¦ de 2,4 GHz, com pot¨ºncia de 20 dBm (100 mW), resultando em um raio de alcance de 1000 m em campo aberto e de cerca de 100 m no interior de edifica??es (o alcance no interior de edifica??es depende do n¨²mero e tipo de obst¨¢culos entre os equipamentos sem fio).??

N¨²mero m¨¢ximo de dispositivos na rede RS485

A norma TIA/EIA-485, conhecida popularmente como RS485, n?o define o n¨²mero m¨¢ximo de dispositivos interligados em uma rede. Ela menciona uma s¨¦rie de parametros que podem ser utilizados para o c¨¢lculo deste limite. Alguns destes parametros s?o os seguintes:

• Limite inferior para a resist¨ºncia de carga resultante no barramento.
• Valor de resist¨ºncia que cada dispositivo da rede representa no barramento, denominada ¡°Carga Unit¨¢ria¡± (15 k?).
• Valor m¨ªnimo de corrente que o driver (transmissor) de um dispositivo RS485 deve ser capaz de fornecer.

A partir destes dados, e considerando a necessidade de resistores de termina??o nos dois extremos do barramento, pode ser calculado o limite de 32 dispositivos com carga unit¨¢ria para um barramento de comunica??o RS485. Lembrando que recomenda-se a utiliza??o de resistores de termina??o de 120 ?, cujo valor resultante corresponde a 60 ?.

Atualmente, est?o dispon¨ªveis equipamentos RS485 com carga inferior ¨¤ unit¨¢ria, sendo usuais os valores de 1/2, 1/4 e 1/8 da carga unit¨¢ria. Para ampliar o n¨²mero de dispositivos em uma rede RS485 para 256, uma solu??o poss¨ªvel ¨¦ utilizar apenas dispositivos com 1/8 da carga unit¨¢ria. Os equipamentos da NOVUS Automation utilizam drivers de 1/8 de carga desde 2008. Como em muitas aplica??es h¨¢ tamb¨¦m aparelhos n?o fabricados pela NOVUS no barramento, o c¨¢lculo te¨®rico do n¨²mero m¨¢ximo de dispositivos na RS485 rede pode ser mais dif¨ªcil.

Em aplica??es menores, onde o comprimento dos cabos da rede ¨¦ curto e/ou a velocidade de comunica??o ¨¦ baixa, pode ser poss¨ªvel eliminar os resistores de termina??o. Isto permite aumentar a capacidade de dispositivos da rede de 32 para 282 dispositivos! Desta forma, ¨¦ uma opera??o confi¨¢vel, nestas condi??o, n?o ¨¦ garantida.

Por fim, para usu¨¢rios do protocolo Modbus RTU sobre o barramento RS485, deve-se salientar que um eventual aumento no n¨²mero de dispositivos f¨ªsicos na rede RS485 poder¨¢ esbarrar no limite l¨®gico de escravos do Modbus RTU, que ¨¦ de 247.

Por ser um dispositivo dedicado ao protocolo Modbus RTU, o gateway AirGate-Modbus assegura o n?o fracionamento de pacotes Modbus RTU, o que garante sua n?o deteriora??o na transmiss?o sem fio. Este dispositivo ainda realiza a verifica??o pr¨¦via dos pacotes Modbus, n?o transmitindo pacotes que contenham erros, o que contribui para a minimiza??o do tr¨¢fego na rede.?

Aplica??es t¨ªpicas do gateway Modbus para redes sem fio?

Os dispositivos gateway AirGate-Modbus s?o aplic¨¢veis na simples elimina??o de cabos em sistemas j¨¢ instalados, em novos projetos ou amplia??es de sistemas de automa??o industrial que requeiram funcionalidades mais avan?adas, como multiplexa??o de mestres Modbus, m¨²ltiplos segmentos de rede cabeada interligados por wireless e uso de repetidores para amplia??o de alcance. Algumas destas aplica??es s?o ilustradas a seguir.?

? ?1. Inclus?o de segmentos sem fio em rede cabeada j¨¢ existente ?

Em sistemas onde j¨¢ existe uma rede Modbus RTU operando em RS-485 ¨¦ poss¨ªvel incluir cobertura sem fio para comunica??o com outros segmentos cabeados. Este tipo de situa??o ¨¦ t¨ªpica em expans?es de rede onde a instala??o de novos cabos ¨¦ dif¨ªcil ou n?o desej¨¢vel. A inclus?o de um gateway em qualquer ponto da rede j¨¢ existente e de outros gateways em qualquer ponto dos novos segmentos cabeados permitir¨¢ a comunica??o plena como se fosse uma rede Modbus RTU ¨²nica. A Figura 1 ilustra esta aplica??o.?

? ?2. Conex?o direta do gateway ¨¤ porta USB do PC SCADA ?

Em aplica??es de supervis?o baseadas em computadores PC, o gateway pode ser conectado diretamente ¨¤ interface USB do computador, realizando simultaneamente a convers?o desta para RS-485 e IEEE 802.15.4. Da interface RS-485 do gateway pode partir a rede cabeada para comunica??o com os escravos Modbus RTU. Outros gateways instalados dentro do alcance do primeiro permitem a comunica??o sem fio com outras redes cabeadas ligadas a eles, conforme ilustra a Figura 2.?

? ?3. Uso do gateway para multiplexar dois mestres na rede sem fio??

O protocolo Modbus RTU define que a rede pode ter apenas um mestre, o que imp?e restri??es t¨¦cnicas em v¨¢rias aplica??es de supervis?o. O AirGate-Modbus aceita a conex?o de 2 mestres, um na interface USB (tipicamente um PC) e outro na interface RS-485 (tipicamente uma IHM ou CLP). As requisi??es de comunica??o destes 2 mestres s?o controladas pelo gateway e enviadas alternadamente para os escravos atrav¨¦s da interface IEEE 802.15.4, sendo as respostas recebidas retornadas ao mestre correto. A Figura 3 ilustra esta aplica??o.?

? ?4. Uso de gateways adicionais para ampliar alcance de redes sem fio?

Para ampliar o alcance da rede sem fio, podem ser instalados gateways adicionais, que ir?o formar sub redes sem fio adicionais, em uma estrutura tipo ¨¢rvore, conforme ilustra a Figura 4.?

? ?5. Fun??o Repetidor com aplica??o estrela?

Diferentes topologias de rede wireless poder?o ser formadas com o AirGate-Modbus. Ao atualizar o AirGate-Modbus atrav¨¦s de sua interface USB, utilizando o software de configura??o DigiConfig, os equipamentos que estiverem configurados como RS485-Slaves automaticamente se adaptar?o aos requisitos da rede. Quando neste modo de opera??o, o AirGate-Modbus passar¨¢ a desempenhar a fun??o de repetidor sem fio, uma vez que encontre a necessidade de estender a rede wireless a qual este esteja integrado. ¨¦ importante salientar que esta fun??o ¨¦ habilitada instantaneamente quando o equipamento for configurado como RS485-Slaves, sem a necessidade de nenhuma configura??o extra.??

Como exemplificado na figura abaixo, para expandir a rede, um AirGate-Modbus configurado como RS485 SLAVES (Firmware > 1.23) foi inserido com a mesma PAN ID (5670). Em outro segmento foram conectados dois AirGates atrav¨¦s de suas interfaces RS485, um AirGate-Modbus operando no modo RS485-SLAVES a um AirGate-Modbus operando no modo RS485-MASTER. Neste segmento uma nova PAN ID (5671) foi criada, iniciando uma nova rede estrela.?

O protocolo Modbus RTU, com sua grande e crescente base instalada, pode se beneficiar da tecnologia de comunica??o sem fio, desde que sejam tomados cuidados t¨¦cnicos para evitar o excesso de erros de comunica??o. O uso de conversores gen¨¦ricos para comunica??o Modbus RTU sobre radiofrequ¨ºncia pode elevar a taxa de erros de comunica??o, sendo mais adequada a ado??o de dispositivos que considerem as caracter¨ªsticas peculiares deste protocolo durante o processo de convers?o.??

O dispositivo AirGate-Modbus ¨¦ dedicado a este tipo de convers?o, mas possui funcionalidades ainda maiores, caracterizando-se como um gateway de comunica??o, permitindo desde a simples elimina??o de cabos at¨¦ funcionalidades complexas como a multiplexa??o de mestres Modbus e estrutura??o de m¨²ltiplas redes, cabeadas e n?o cabeadas. Os exemplos de aplica??o apresentados permitem vislumbrar as possibilidades que a tecnologia sem fio oferece ao difundido e consolidado protocolo Modbus.??

Refer¨ºncias:?

IEEE Std 802.15.4-2003, IEEE Standard for Information Technology – Telecommunications and information exchange between systems – Local and metropolitan area networks – Specific Requirements – Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs).

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Cada projeto de aplica??o apresenta particularidades quanto aos requisitos para a sua implanta??o. Diversas aplica??es t¨ºm como importante requisito a necessidade de que os registros n?o apresentem falhas (gaps) no hist¨®rico. Perder dados por uma queda de energia ou interrup??o da comunica??o pode custar caro para as empresas.?

Para atender esta demanda a NOVUS desenvolveu uma sistem¨¢tica para contornar os problemas causados pelas falhas de comunica??o em diferentes meios f¨ªsicos: o sistema de mem¨®ria data cache. Este consiste em armazenar temporariamente os dados selecionados para publica??o, mas que ainda n?o foram enviados para a NOVUS Cloud, possibilitando que a massa de dados seja publicada posteriormente.??

No caso do AirGate-4G, os dados selecionados para publica??o na NOVUS Cloud s?o armazenados em mem¨®ria caso o equipamento n?o consiga enviar o dado no momento, at¨¦ que sejam publicados na nuvem. Todo dado j¨¢ enviado ¨¦ removido da mem¨®ria para que haja espa?o dispon¨ªvel integralmente caso deva ser armazenado um per¨ªodo maior (os dados armazenados temporariamente n?o podem ser coletados). ?

Est?o dispon¨ªveis duas possibilidades de mem¨®ria para data cache no AirGate-4G: Tempor¨¢ria e permanente.??

A mem¨®ria RAM, ou tempor¨¢ria, permite armazenar at¨¦ 5000 dados, por¨¦m, os mesmos s?o perdidos ap¨®s a reinicializa??o do dispositivo. J¨¢ a mem¨®ria flash, ou permanente, permite armazenar os 5000 dados, e os mant¨¦m mesmo ap¨®s a reinicializa??o do dispositivo.??

Portanto, mesmo que o produto fique sem acesso a internet por qualquer motivo, ir¨¢ armazenar os dados com o timestamp do momento que o dado foi adquirido e assim que a conex?o for reestabelecida os dados armazenados ser?o enviados para a nuvem, gerando um hist¨®rico sem gaps. Caso o tempo desconectado seja superior ao que esteja dispon¨ªvel de mem¨®ria de data cache, os dados mais antigos ser?o sobrescritos (sistema de mem¨®ria circular).

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Por que ainda utilizar cabos em suas infraestruturas de rede Modbus-RTU?

Neste webinar, tiramos todas as d¨²vidas sobre Sistemas Wireless 802.15.4.

Al¨¦m de informa??es sobre redes Modbus-RTU, RS485 e protocolo IEEE 802.15.4, voc¨º vai descobrir como ¨¦ f¨¢cil a instala??o, a configura??o e implanta??o em sua planta industrial das solu??es para sistema wireless com excelente custo e benef¨ªcio.

Essas tecnologias propiciar?o maior dinamica ao seu processo, permitindo mudan?as de layouts em sua planta sem a preocupa??o e os gastos com servi?os extras.

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