Automação e controle industrial usando protocolo CAN

Automação e controle industrial usando protocolo CAN
Automação e Controle Industrial

Automação e Controle Industrial

Nos dias de hoje sistemas de automação industrial tornaram-se populares em muitas indústrias e desempenham um papel crucial no controle de várias operações relacionadas a processos. Devido à implementação de uma ampla variedade de redes industriais com sua distribuição geográfica na fábrica ou na indústria, a capacidade de transferência e controle de dados do piso se tornou mais sofisticada e fácil, variando de controle de baixo nível a alto. Essas redes industriais são roteadas através de vários barramentos de campo que usam vários padrões de comunicação como protocolo CAN, Profibus, Modbus, rede de dispositivos, etc. Então, vamos ver como a comunicação CAN funciona para automatizar as indústrias e outros sistemas baseados em automação .

Introdução à automação e controle industrial

A figura abaixo mostra a arquitetura de automação e controle industrial em que três níveis de controle são executados para automatizar todo o sistema. Esses três níveis são controle e automação, controle de processo e controle de ordem superior. O nível de Controle e Automação consiste em vários dispositivos de campo como sensores e atuadores para monitorar e controlar as variáveis ​​do processo.




Arquitetura de Automação Industrial

Arquitetura de Automação Industrial

O Nível de Controle de Processo é um controlador central responsável por controlar e manter vários dispositivos de controle como Controladores lógicos programáveis ​​(PLCs) , e também as interfaces gráficas do usuário como SCADA e Interface Homem-Máquina (HMI) também estão incluídos neste nível. O nível de controle de ordem superior é um nível empresarial que gerencia todas as operações relacionadas aos negócios.

Observando de perto o diagrama acima e seus cada um dos níveis e também entre os níveis, os barramentos de comunicação, como Profibus e Ethernet industrial são vistos como conectados para trocar informações. Portanto, o barramento de comunicação é o principal componente em automação industrial para transferência confiável de dados entre os controladores, computadores e também dos dispositivos de campo.

Rede de área de controle ou protocolo CAN

Modelo de Open Systems Interconnection (OSI)

Modelo de Open Systems Interconnection (OSI)

Comunicação de dados é a transferência de dados de um ponto a outro. Para apoiar a comunicação industrial, a International Organization for Standardization desenvolveu o modelo Open Systems Interconnection (OSI) para fornecer transferência de dados entre vários nós. Este protocolo e estrutura OSI dependem do fabricante. O protocolo CAN usa duas camadas inferiores, ou seja, camadas físicas e de enlace de dados das sete camadas do modelo OSI.

Uma rede de área de controlador ou protocolo CAN é um multi-mestre barramento de comunicação serial , e é uma rede de controladores independentes. A versão atual do CAN está em uso desde 1990 e foi desenvolvida pela Bosch e Intel. Ele transmite mensagens para os nós apresentados em uma rede, oferecendo uma velocidade de transmissão de até 1 Mbps. Para uma transmissão eficaz, ele segue métodos confiáveis ​​de detecção de erros - e, para arbitragem sobre prioridade de mensagem e detecção de colisão, usa protocolo de acesso múltiplo com detecção de portadora. Devido a essas características de transferência de dados confiáveis, este protocolo tem sido usado em ônibus, carros e outros sistemas automotivos, automação industrial e de fábrica, aplicações de mineração, etc.


Transmissão de dados CAN

Protocolo CAN não é um protocolo baseado em endereço, mas sim um protocolo orientado a mensagem, em que a mensagem embutida no CAN tem o conteúdo e a prioridade dos dados a serem transferidos. No momento da recepção dos dados no barramento, cada nó decide se descarta ou processa os dados - e então, dependendo do sistema, a mensagem da rede é destinada a um único nó ou a vários outros nós. A comunicação CAN permite que um determinado nó solicite as informações de qualquer outro nó, enviando RTR (Remote Transmit Request).

Transmissão de dados do protocolo CAN

Transmissão de dados do protocolo CAN

Ele oferece transmissão de dados sem arbitragem automática, transferindo a mensagem de prioridade mais alta e apoiando e aguardando a mensagem de prioridade mais baixa. Nesse protocolo, o dominante é um 0 lógico e o recessivo é um 1. Quando um nó transmite um bit recessivo e outro transmite um bit dominante, então o bit dominante vence. Um esquema de arbitragem baseado em prioridade decide se a permissão será concedida para continuar a transmissão se dois ou mais dispositivos começarem a transmitir ao mesmo tempo.

Quadro de mensagem CAN

Uma rede de comunicação CAN pode ser configurada em diferentes formatos de quadro ou mensagem.

  1. Formato de quadro padrão ou base ou CAN 2.0 A
  2. Formato de quadro estendido ou CAN 2.0 B
Formato de quadro padrão ou base ou CAN 2.0 A

Formato de quadro padrão ou base ou CAN 2.0 A

A diferença entre esses dois formatos é que o comprimento dos bits, ou seja, o quadro base suporta comprimento de 11 bits para o identificador, enquanto o quadro estendido suporta comprimento de 29 bits para o identificador, que é feito de extensão de 18 bits e um identificador de 11 bits. O bit IDE difere do formato de quadro estendido CAN e do formato de quadro base CAN, em que IDE é transmitido como dominante em um caso de quadro de 11 bits e recessivo em um caso de quadro de 29 bits. Também é possível enviar ou receber mensagens no formato de quadro base por alguns controladores CAN que suportam formatos de quadro estendido.

Formato de quadro estendido ou CAN 2.0 B

Formato de quadro estendido ou CAN 2.0 B

O protocolo CAN possui quatro tipos de frames: frame de dados, frame remoto, frame de erro e frame de sobrecarga. O quadro de dados contém os dados do nó de transmissão e o quadro remoto solicita um identificador específico. O quadro de erro de transmissão detecta quaisquer erros de nó e o quadro de sobrecarga é ativado quando o sistema injeta atraso entre os dados ou o quadro remoto. A comunicação CAN pode conectar até 2.032 dispositivos em uma única rede teoricamente, mas é praticamente limitada a 110 nós devido aos transceptores de hardware. Suporta cabeamento de até 250 metros com baud rate de 250 Kbps com bit rate de 10 Kbps com comprimento máximo de 1 km, e o menor com 1 Mbps de 40 metros.

Automação e controle industrial usando protocolo CAN

Esta projeto é implementado para controlar a indústria cargas que são movidas por motor DC com base nas variações de temperatura do processo. Vários sistemas de controle de processo são depende da temperatura. Suponha que, no caso de um tanque agitador - após atingir uma determinada temperatura - o motor DC deve ser ligado para girar o agitador. Portanto, este projeto consegue isso com o uso do protocolo CAN, que é altamente eficiente e confiável para comunicação de baixo custo.

Dois microcontroladores são usados ​​neste projeto, um para adquirir dados de temperatura e outro para controlar o motor DC . O controlador CAN MCP2515 e o transceptor CAN MCP2551 são conectados a ambos os microcontroladores para implementar a comunicação CAN para a troca de dados.

Automação e controle industrial usando protocolo CAN

Automação e controle industrial usando protocolo CAN

O microcontrolador do lado transmissor monitora continuamente as temperaturas com o uso do LM35 sensor de temperatura convertendo valores analógicos em digitais com ADC anexado a ele. Esses valores são comparados com os valores definidos programados no microcontrolador, e esses valores são violados quando o microcontrolador envia ou transmite os dados para o receptor microcontrolador lateral por unidades de controlador e transceptor CAN.

A comunicação CAN do lado receptor recebe os dados e os transfere para o microcontrolador que posteriormente processa os dados e controla o motor DC por um motor-driver IC. Também é possível mudar a direção do motor com o driver IC controlado pelo microcontrolador.

Assim, o protocolo CAN possibilita a comunicação ponto a ponto, conectando diferentes nós em ambiente industrial. Este tipo de comunicação também pode ser implementado em outras sistemas de automação como casa ou edifício , fábrica, etc. Esperamos que este artigo possa ter ajudado você a compreender melhor a automação industrial com comunicação CAN. Por favor, escreva para nós para mais informações e perguntas.

Créditos fotográficos:

  • Automação Industrial e Controle por wlimg
  • Arquitetura de Automação Industrial por siemens
  • Modelo de Open Systems Interconnection (OSI) por comer
  • Transmissão de dados do protocolo CAN por can-cia
  • Formato de quadro padrão ou base ou CAN 2.0 A por technologyuk
  • Formato de quadro estendido ou CAN 2.0 B por banda larga