2.6 - Rede FF HSE

É baseada na mesma camada física da Ethernet comercial. De fato, uma das vantagens é poder utilizar equipamentos de prateleira, isto é, equipamentos comuns. Diversos fabricantes oferecem equipamentos específicos para aplicações industriais, seja com faixa de temperatura adequada (-40 a 85°C), seja com funções específicas para comunicação de dados em tempo real. As características de comunicação e sincronismo entre os equipamentos são basicamente as mesmas do H1, sendo que as principais diferenças estão no determinismo.

Através do uso de Ethernet na rede FF HSE é possível construir uma rede de controle industrial com componentes disponíveis para o consumidor final, independentemente do fabricante. O padrão HSE utiliza uma taxa de transmissão de 100 Mbps, mas nada impede que os equipamentos se comuniquem à taxas maiores, tais como 1 Gbps ou mesmo o novo padrão 10 G (figura 4).

Figura 4

A rede H1 é determinística. Isso permite que os dados de controle (cíclicos) sempre tenham tempo reservado para trafegar na rede. De forma simplificada é possível representar o tempo na rede como na figura 5.

Figura 5

Há dois tipos primitivos de equipamentos definidos: Link Master Devices (LM) e Basic Devices. LMs são capazes de se tornar LAS (Link Active Scheduler) em um dado instante e controlar o tráfego de dados cíclicos e acíclicos em sua rede. Cada rede possui, em um dado instante, apenas um LAS, mas pode possuir diversos LM. Isso assegura o funcionamento da rede caso o LAS primário falhe. Os equipamentos do tipo basic não são capazes de se tornarem LAS e, em geral, são equipamentos mais simples. É importante que em cada segmento FF haja pelo menos dois LM (redundância de mestre).

O macrocycle é o período em que toda parte cíclica se repete na rede FF. Ou seja, em cada macrocycle existe um tempo escalonado chamado foreground que garante a passagem das informações cíclicas. Há também um período de tempo destinado ao tráfego de outros tipos de dados normalmente destinados à manutenção, supervisão, configuração, estatística, etc, que é o background.

Em uma configuração FF típica estes tempos, foreground e background, estão distribuídos no macrocycle. Para implementar o determinismo, um mecanismo de token é usado. Tal abordagem elimina a necessidade da contenção (detecção de atividade e/ou colisão) ao se transmitir. Apenas quem possuir o token tem o direito de transmitir naquele momento e é o LAS o responsável pela circulação do token entre todos os equipamentos da rede. A figura 6 mostra o mecanismo de circulação do token.

Figura 6

Pelo fato de usar Ethernet, uma rede HSE não apresenta as mesmas características de previsibilidade da rede H1. Entretanto, há características que são usadas em uma instalação HSE para tornar a rede quase determinística. O uso de switches e roteadores permite isolar os domínios de colisão da rede. Dessa forma, o mecanismo de acesso e detecção de colisão, usado pela Ethernet, que é o CSMA/CD (Carrier Sense Multiple Access / Colision Detect) não aciona os mecanismos de atraso aleatórios na retransmissão de mensagens.

A rede HSE usa intensivamente tanto o protocolo UDP quanto o TCP. Entretanto, os dados em tempo real são transmitidos usando UDP, o que permite que dados de controle sejam transmitidos de forma rápida e eficiente a todas as estações da rede. O processamento de mensagens UDP é mais rápido e suas características atendem aos requisitos para transmissão de dados em tempo real como, por exemplo, pelo fato de ser multicast, ou seja, ser uma transmissão que atinge ao mesmo tempo todos os equipamentos da rede.

Mas é possível questionar o por quê de não usar TCP, que é orientado à conexão e possui mecanismos de detecção de erros com retransmissão automática de mensagens. Considere-se uma hipótese na qual o valor de pressão de uma caldeira é transmitido de um transmissor para uma válvula da rede. Se uma amostra não chega ao destino, é melhor enviar rapidamente uma nova amostra do que tentar retransmitir um valor passado que já não tem uso para o controlador embutido na válvula. Se o valor não chegar naquele momento ao seu destino, não terá mais utilidade.

Por isso, os mecanismos de retransmissão do TCP não têm muita utilidade no tráfego de dados em tempo real na rede HSE. Para outros tipos de transação como configuração, diagnósticos ou supervisão o TCP é usado.

Uma aplicação de controle é modelada e descrita através do uso de diversos blocos funcionais conectados entre si e parametrizados de forma apropriada. Os blocos trocam informações através de uma entidade chamada link, ainda que sejam possíveis associações implícitas através do parâmetro Strategy. O link conecta um parâmetro de saída de um bloco funcional a um ou mais parâmetros de entrada de outros blocos funcionais. Se os blocos linkados estiverem localizados no mesmo equipamento, diz-se que é um link interno. Se a conexão for entre blocos de diferentes equipamentos tem-se um link externo, que consome banda do segmento H1 durante a troca de dados.

Todos os equipamentos na rede FF são sincronizados através do LAS, que controla a comunicação na rede e usualmente é um dos instrumentos de campo. Caso haja falha do LAS ou ele seja retirado para manutenção, outro equipamento LM se torna LAS e assume automaticamente. Assim que a aplicação é criada, o configurador FF gera a sequência de eventos: execução de blocos, comunicação entre equipamentos, publicação de links no barramento, supervisão, etc.

O tempo necessário para uma iteração completa no segmento FF é chamado macrocycle, e normalmente define a taxa de execução da aplicação, ou seja, para um macrocycle de 500 ms cada malha de controle será executada 2 vezes por segundo. O algoritmo de cada bloco calcula suas saídas a cada ciclo em função dos valores anteriores, do valor atual dos parâmetros de entrada e de controle. Então os valores das saídas são publicados na rede para todos os equipamentos interessados.

 Cada equipamento recebe do configurador e armazena a programação da execução de seus blocos, chamada FBS (Function Block Schedule). Esse registro define quando cada bloco será executado, o intervalo de execução entre cada um, e assim por diante. Cabe ao configurador FF gerar o FBS para cada equipamento e programá-los quando for feito o download da configuração.
No diagrama da figura 7 é possível observar que durante um macrocycle cada equipamento executa na sequência, de acordo com o FB Schedule, os blocos alocados a ele. Cada bloco recebe uma posição e um offset com relação ao início do macrocycle. Paralelamente, os outros equipamentos também executam seus blocos. De acordo com a estratégia ocorre a publicação de parâmetros no barramento H1. Cada equipamento captura os valores para as entradas de seus blocos a partir dos valores das saídas de outros blocos.

Figura 7

Esse tipo de comunicação, usada para dados críticos de controle, é chamada comunicação cíclica. Nos intervalos da comunicação cíclica o barramento pode ser usado para a comunicação acíclica, que é usada para supervisão, configuração de equipamentos, alteração de parâmetros de operação dos blocos e assim por diante. Cada equipamento pode participar em mais de uma malha, executando blocos de diversos módulos de controle.