Motivação e Enquadramento

Esta dissertação de mestrado insere-se num projecto profissional desenvolvido em parceria entre a Universidade do Minho, a empresa OMRON e o talho Boticas.

Na indústria alimentar a refrigeração é uma das aplicações mais delicadas e complexas, porque os alimentos necessitam de tratamentos térmicos em diferentes fases de trabalho. A refrigeração dos alimentos reduz a actividade dos microrganismos (e.g. bactérias) sobre os alimentos. A técnica baseia-se na acção rápida e intensa do frio que permite preservar intactas as propriedades orgânicas dos alimentos prolongando o tempo de conservação [1].

            Na conservação a baixas temperaturas, quer sejam temperaturas de refrigeração quer sejam temperaturas de congelação, existe um conjunto de regras gerais que devem ser seguidas, entre outras:

• Cumprir as normas legais referentes à conservação dos alimentos perecíveis impostas pela União Europeia;
• Seguir as normas HACCP - Hazard Analysis and Critical Control Points (Análise de Perigos e Pontos Críticos de Controlo), que identifica e monitoriza os perigos alimentar específicos, biológicos (bactérias, fungos, vírus e parasitas), químicos (embalagens utilizadas), que podem afectar negativamente a segurança dos produtos alimentares [2];
• Controlar e registar periodicamente a temperatura das vitrinas de exposição e câmaras frigoríficas de conservação e congelamento.

Assim, com base nos pressupostos anteriores baseia-se a execução desta dissertação no controlo e monitorização de temperaturas dos diferentes elementos de refrigeração, conservação e congelação de um talho com vista a melhorar a qualidade dos alimentos comercializados. Para isso é necessário projectar e implementar uma rede de comunicação que disponibilize todos os dados dos controladores de frio, para poderem ser registados e monitorizados.

Estado da Arte

Com o aumento da industrialização e consequente automatização dos sistemas produtivos, vai sendo necessário adaptar ou criar novas formas de ligação entre os diferentes subsistemas, para obter o respectivo controlo dos processos e na aquisição de informação. Existe uma variedade de redes de comunicação que permitem a ligação entre o nível mais baixo de sensores, actuadores passando pelos controladores e terminando no nível mais elevado de sistemas de supervisão.

As diferentes redes são usadas para interagir com os equipamentos presentes num determinado subsistema, responsável por parte do processo de produção.

Cada rede é adaptada ao tipo de subsistema a que se destina dependendo dos equipamentos que liga e da informação trocada entre estes. Os subsistemas devem estar todos interligados para que seja feita a coordenação das actividades e de supervisão do processo produtivo como um todo. Sendo assim não existe um único tipo de rede que seja capaz de atender a todos os requisitos dos diversos subsistemas existentes num processo de controlo.

Topologia das Redes

Existem vários tipos de topologias de ligação de redes, as mais usadas são: ligação em barramento, anel e estrela [3],[4].

Topologia em barramento.

Numa rede o barramento é um caminho de transmissão de sinais, sendo estes transmitidos e recebidos pelos dispositivos cujo endereço foi especificado. No caso de uma rede com esta topologia em vez de sinais tem-se pacotes de dados, cujo cabeçalho contém o endereço do destinatário. Na Figura 1 pode ser visualizada uma topologia em barramento. Todos os dispositivos estão ligados directamente à rede por onde circulam os pacotes, e todos os dispositivos da rede vêm os pacotes. Cada dispositivo da rede tem um endereço único, que permite através da análise dos pacotes seleccionar os que lhe são destinados.

Topologia em anel.

A topologia em anel consiste em ligações ponto-a-ponto entre pares de dispositivos que, no seu conjunto, formam um anel, como se pode ver na Figura 2. Nesta topologia, cada dispositivo tem a sua vez para transmitir ou receber. Só transmite ou recebe o dispositivo que tem o testemunho (token). Depois de transmitir passa o token ao elemento seguinte, segundo uma direcção predefinida.

Os pacotes que circulam na rede, para além dos dados a serem transmitidos, contêm a informação sobre a origem da transmissão e o respectivo destinatário. Ao receber o pacote, cada dispositivo analisa a informação do destinatário, retirando da rede caso seja o destinatário ou passa ao dispositivo seguinte. Graças a este protocolo de acesso ao meio, a fiabilidade da rede é assegurada, pois cada vez que o pacote é transmitido entre dois dispositivos o sinal é regenerado.

Topologia em Estrela.

Como o nome indica esta topologia tem a forma de uma estrela, e consiste em vários cabos de comunicação que unem cada dispositivo a um ponto central. Normalmente esse ponto central é um hub ou Switch como se pode ver na Figura 3.

Redes e Protocolos

As empresas produtoras de equipamentos industriais, para permitir a comunicação entre equipamentos e dispositivos que não tenham a mesma origem criaram protocolos. Assim, permitiu-se que equipamentos de diferentes origens consigam comunicar uns com os outros através de meios físicos standards (e.g. RS-232, RS-485, Ethernet, entre outros), podendo esses protocolos ser proprietários ou abertos.

Os protocolos proprietários são definidos por uma empresa e não são disponibilizados aos utilizadores e outros fabricantes de dispositivos. Neste caso, somente dispositivos da empresa em questão são capazes de comunicar uns com os outros.

Os protocolos abertos, pelo contrário, são aqueles cujas regras e convenções são amplamente divulgados, geralmente na forma de uma norma técnica internacional, nacional ou regional.

Neste caso, diversos fabricantes podem, em princípio, desenvolver sistemas industriais que permitem a ligação dos seus dispositivos com outros que entendam o mesmo protocolo. Uma das principais vantagens de protocolos abertos é a independência de fabricantes, ou seja, quantas mais empresas tiverem produtos disponíveis com um protocolo de comunicação, menos dependente fica a automação de uma empresa específica.

Em seguida é feita a descrição básica dos protocolos mais utilizados na indústria caracterizando-os como: nível de aplicação, meio físico de transmissão, hierarquias, topologias, entre outros.

MODBUS

MODBUS é um protocolo aberto, normalmente utilizado em comunicação série. Trata-se de um modo de comunicação extremamente divulgado e com grande utilização (variadores de velocidade, robôs, autómatos programáveis industriais, controladores de temperatura, entre outros) [5].

Existem dois standards para MODBUS:

 -RTU (o mais utilizado e com o melhor desempenho): com caracteres codificados com 8 bits + 1 bit de paridade

-ASCll: com caracteres codificados em 7 bits + 1 bit de paridade

O meio físico utilizado por este protocolo pode ser RS-232 ou RS-485; usa a hierarquia de um mestre e vários escravos: o mestre faz uma pergunta a um escravo e espera que este responda, ou o mestre pode exigir que vários executem uma acção. Importanta salientar que dois escravos não podem responder ao mesmo tempo.

Profibus

Profibus é um dos protocolos mais difundidos na Europa e também na América. As suas capacidades em termos de velocidade, distância e gestão de dados são adequadas ao controlo de processos e outras aplicações [6]. A norma Profibus foi introduzida no fim dos anos 80 e evoluiu para três implementações no início dos anos 90. PROFIBUS é acrónimo de PROcess FIeld BUS. Os três tipos de Profibus podem coexistir numa mesma rede. É implementado em chips ASIC produzidos por diversos fabricantes:

• Profibus FMS (Sistema de Mensagens de Campo);
• Profibus DP (Periféricos Descentralizados);
• Profibus PA (Automação de Processo).

O Profibus utiliza a camada física da comunicação RS-485 para proceder à comunicação e pode utilizar as topologias de rede em estrela, linear ou anel. É normalmente utilizado em controlo de processos, linhas de montagem, e manuseamento de materiais. Os tempos de resposta podem chegar aos 5 ms para uma rede a 12 Mbps.

Para controlar a rede, o mestre deve conhecer toda a informação sobre os equipamentos - os endereços, configuração de E/S e parâmetros de operação. Cada equipamento deve ter um ficheiro com a sua descrição única (Generic Data Slave) para descrever as funcionalidades, características e parâmetros de configuração desse equipamento (Número de identificação, Nome do fornecedor, Nome do equipamento, Parâmetros de escravo, Parâmetros de configuração de E/S, Velocidade de transmissão suportada).

O utilizador precisa de especificar o Endereço do dispositivo, Configuração E/S, Parâmetros seleccionados e Velocidade de transmissão de dados.

Uma ferramenta de configuração é usada para combinar o ficheiro GDS e a informação do utilizador numa base de dados mestre que é utilizada para estabelecer a comunicação e iniciar a troca de dados com o escravo Profibus.

DeviceNet

            DeviceNet é um padrão de comunicação que se baseia na camada física 2 do modelo OSI e na técnica de transporte CAN. As soluções apresentam como vantagens a possibilidade de remover e substituir equipamentos em redes sob tensão e sem um aparelho de programação, ou ainda a possibilidade de fornecer a alimentação aos equipamentos através do próprio cabo de rede [7].

Esta rede aplica-se ao nível operacional. É uma rede importante a nível de equipamentos de baixa tensão. Proporciona comunicações fiáveis e possibilita a troca de informações entre sistemas de fabricantes diferentes.

O DeviceNet permite a integração em redes de aparelhos, tais como: disjuntores, relés de protecção de motores, arrancadores suaves, módulos de iluminação, fins-de-curso, sensores de proximidade e fotoeléctricos.

Utiliza um cabo de duplo par entrançado blindado, em que um dos pares se destina à alimentação dos sensores.

Fins

Fins é um protocolo proprietário da OMRON. Como meio físico a rede pode ser constituída por cabos Ethernet, RS-232 ou RS.485. Pode ser feita a ligação entre autómatos e computador (PC) a autómatos. A ligação entre um computador e um autómato possibilita o PC trabalhar como "master" faz a leitura e escrita nas áreas de memória do autómato [8].

            A trama é constituída por um carácter identificador de início "@", seguido do número da unidade de destino; segue-se o Header code que tem valor constante quando se usa o protocolo "FA"; o valor de tempo de espera de resposta da unidade de destino; depois 20 bytes que são preenchidos dependendo do meio físico usado para comunicação; o comando que indica o tipo de memória a ser lida ou escrita do autómato; se o PC escrever no autómato o próximo campo leva os dados correspondentes, e vem como os endereços de destino; para finalizar os últimos campos da trama são completos com o FCS (cálculo para verificação de erros na trama) e o caracter terminator. As tramas podem ser visualizadas nas Figuras 4 e 5.

Desenvolvimento do Projecto

O projecto engloba as seguintes Fases:

• 1. Pesquisa do estado da arte referente aos diferentes tipos de rede de automação industrial e sistemas dedicados à conservação alimentar (2 meses).
• 2. Estudo e pesquisa de diferentes soluções possíveis, a implementar no talho com finalidade de atingir os objectivos propostos (2 meses).
• 3. Estudo e desenvolvimento do programa a implementar no autómato para recolha e armazenamento da informação dos controladores, comunicação do autómato com GateWay, Computador e modem GSM (2 meses).
• 4. Testes do sistema em laboratório (1 mês).
• 5. Testes no talho com implementação de um controlador numa das vitrinas (2 meses).
• 6. Implementação do sistema completo no talho (1 mês).
• 7. Testes e optimização do sistema (2 meses).
• 8. Escrita da dissertação do Mestrado (2 meses).

Referências Bibliográficas

• [1] http://www.esac.pt/noronha/manuais/restauração_VOL_2.pdf, acedido em 5/1/2010.
• [2] http://www.dgv.min-agricultura.pt/higiene_publica/Cod_Boas_Praticas/Plataforma%20CBP_20081215/Carne_Codex_Alimentarius_.pdf, acedido em 5/1/2010.
• [3] http://www.leitejunior.com.br/material/02_REDES_LJ.pdf, acedido em 19/1/2010
• [4] http://paginas.fe.up.pt/~goii2000/M3/redes2.htm, acedido em 19/1/2010
• [5] http://www.modbus-ida.org, acedido em 19/1/2010.
• [6] http://www.profibus.com, acedido em 19/1/2010.
• [7] http://www.odva.org, acedido em 20/1/2010.
• [8] http://forums.mrplc.com/index.php?autocom=downloads&showfile=467, acedido em 25/1/2010.