Protocolos de comunicação aberta para elevadores, Parte 1

São discutidas as aplicações do popular padrão LonTalk em sistemas de elevadores.

Compatibilidade, interoperabilidade, intercambialidade e protocolos abertos e padronizados têm sido as terminologias mais utilizadas na indústria de automação predial nas últimas três décadas. Tradicionalmente, os protocolos usados ​​pelos controladores supervisores de elevadores eram proprietários, mas houve desenvolvimentos mais recentes em diversos padrões. Na Parte 1 deste artigo, discutiremos a ciência dos protocolos abertos, seguida de uma breve revisão de diferentes protocolos abertos usados ​​em automação predial. Um padrão popular, o LonTalk, com aplicações em sistemas de elevadores, será discutido em detalhes. 

O que são protocolos de comunicação?

Uma rede de computadores, com ou sem fio, é definida como um grupo de computadores e outros dispositivos conectados para trocar informações e compartilhar recursos. Uma abordagem para organizar redes é chamada de "cliente/servidor", onde um computador atende às necessidades de armazenamento e processamento de todos os outros nós (dispositivos), chamados de "clientes", na rede. Outra abordagem é chamada de "computação ponto a ponto" (peer-to-peer), na qual cada computador ou dispositivo na rede pode atuar tanto como cliente quanto como servidor. "Topologia de rede" refere-se ao layout dos computadores em uma rede. Existem três topologias comuns: estrela, anel e barramento. Em automação predial, os dispositivos geralmente são computadores independentes.

Os humanos usam a linguagem para se comunicar; computadores em rede trocam dados com base em regras padronizadas chamadas "protocolos". Cada mensagem transmitida por um computador em rede tem um significado preciso com a intenção de estimular uma resposta do receptor. Portanto, o protocolo deve definir a sintaxe, a semântica, a sincronização da comunicação e outros aspectos. Como os computadores não são tão inteligentes e flexíveis quanto os humanos, o protocolo precisa ser padronizado. Uma analogia seria comparar o protocolo de comunicação às linguagens de programação para computação. 

Um protocolo possui diversas características, incluindo, entre outras, formato de dados, formato de endereço, mapeamento de endereços entre esquemas, roteamento, detecção de erros de transmissão, confirmação de mensagens corretas, tempos limite e novas tentativas, direção do fluxo de informações, controle de sequência e controle de fluxo.

Norma Internacional sobre Redes

O modelo de Interconexão de Sistemas Abertos (OSI) da Organização Internacional de Normalização (ISO) fornece uma estrutura tanto para o projeto de sistemas de rede quanto para a explicação de seu funcionamento. Este modelo é a única estrutura de padrões internacionalmente aceita para comunicação entre diferentes sistemas fabricados por diferentes empresas. O objetivo é criar um ambiente de rede de "sistemas abertos", no qual qualquer computador ou sistema de microprocessador de qualquer fornecedor, conectado a qualquer rede, possa compartilhar dados livremente com qualquer outro sistema de computador nessa rede ou em uma rede vinculada. Nesse contexto, "sistemas abertos" oferecem recursos como interoperabilidade, portabilidade e padrões de software abertos. Qualquer fornecedor ou fabricante tem o direito de adotar um sistema aberto em seu dispositivo.

A maioria dos protocolos de comunicação dominantes usados ​​hoje em dia está em conformidade com o modelo OSI. Deve-se ter em mente, no entanto, que o OSI é apenas um modelo — uma estrutura, e não um protocolo. Isso significa que, mesmo que dois produtos estejam totalmente em conformidade com o modelo OSI, eles podem não ser capazes de se comunicar livremente entre si, a menos que alguns acordos tenham sido feitos durante a fase de projeto. 

O modelo consiste em sete camadas. Cada camada possui funções específicas e fornece serviços para a camada imediatamente acima dela. Cada vez que um pacote de dados é recebido pelo hardware, cada camada processa o pacote e o envia para a camada superior. As camadas 7 a 4 lidam com a comunicação de ponta a ponta entre a origem e o destino da mensagem, enquanto as camadas 3 a 1 lidam com o acesso à rede (Tabela 1).

A Camada 1 fornece a conectividade mais básica em termos de meio físico, que pode ser fio elétrico de cobre, sinal de rádio ou cabo de fibra óptica. Dispositivos como repetidores e hubs operam nesta camada. A Camada 2 é responsável pelos procedimentos e protocolos para a operação das linhas de comunicação, incluindo o controle de enlace lógico, o controle de acesso ao meio, o endereçamento de hardware, a detecção e o tratamento de erros. A Camada 3 determina como os dados são transferidos entre computadores, definindo o roteamento dentro e entre redes individuais. Os roteadores, que operam nesta camada, recebem um pacote, analisam o endereço de destino e o encaminham. A Camada 4 define as regras para a troca de informações e gerencia a entrega de informações de ponta a ponta dentro e entre redes. A Camada 5 é responsável pelo gerenciamento de diálogos, estabelecendo e gerenciando sessões de processos de software. Um dispositivo pode se comunicar simultaneamente com muitos outros dispositivos, atribuindo a cada conexão sua própria sessão. A Camada 6 fornece um serviço de comunicação transparente, mascarando as diferenças entre os formatos de dados de sistemas distintos. Ela pode ser considerada um tradutor entre diferentes tipos de representação de dados. Também codifica e decifra criptografia. A camada 7 contém funções para serviços de aplicativos específicos, como transferência de arquivos, acesso remoto a arquivos, terminais virtuais, etc.

Nem todos os protocolos abertos são implementados com todas as sete camadas, e muitas vezes as camadas são fundidas ou colapsadas. 

Protocolos de comunicação aberta comumente usados ​​em automação predial

Existem muitos protocolos de comunicação abertos amplamente adotados em automação predial, como X10, Modbus, C-Bus, DALI (Digital Addressable Lighting Interface), CANbus, ZigBee, TCP/IP, oBIX (Open Building Information Xchange), Konnex, LonWorks e BACnet. Com exceção dos dois últimos (que serão discutidos com mais detalhes nas partes um e dois desta série, respectivamente), os demais serão apenas brevemente apresentados.

O X10, desenvolvido em 1975, é um protocolo clássico para comunicação entre dispositivos eletrônicos usados ​​principalmente em residências. Os sinais são injetados na rede elétrica em pulsos de 120 kHz, alimentando um dispositivo individual durante os pontos de cruzamento por zero da forma de onda da tensão. No entanto, apenas um bit é transmitido a cada cruzamento por zero, tornando este um protocolo de velocidade muito baixa. Mesmo assim, é suficiente para ligar e desligar lâmpadas ou, no máximo, diminuir sua intensidade. Dispositivos sem fio X10 já estão disponíveis no mercado. 

O Modbus tem suas raízes no final da década de 1970. Em 1979, a fabricante de controladores lógicos programáveis ​​Modicon publicou a interface de comunicação Modbus para uma rede multidrop baseada em uma arquitetura mestre/cliente. (Um barramento multidrop tem todos os componentes conectados ao mesmo circuito, e um processo de arbitragem determina qual dispositivo pode enviar informações.) A camada física da interface Modbus é flexível. Originalmente, utilizava o protocolo RS-232, mas posteriormente passou a utilizar o RS-485 para permitir distâncias maiores, velocidades mais altas e a possibilidade de uma verdadeira rede multidrop. O Modbus é frequentemente usado para conectar um computador supervisor a uma unidade terminal remota em sistemas de supervisão, controle e aquisição de dados (SCADA). Cada mensagem Modbus possui a mesma estrutura (Tabela 2), que é bastante genérica entre os diferentes protocolos de controle usados ​​em automação predial e residencial. O Modbus foi aplicado em sistemas de elevadores para detecção de andares, cabines e interruptores de portas. O Modbus permite a detecção óptica da posição da cabine, a indicação dos andares e a interface com inversores de frequência e tensão variáveis. No entanto, os objetos, características e funções dos sistemas de elevadores não são especificados pelo Modbus. Portanto, a aplicação ainda é proprietária.

O C-Bus, originalmente desenvolvido pela Clipsal da Austrália, destina-se principalmente à automação residencial, em especial ao controle de iluminação. Diferentemente do X-10 (que opera na rede elétrica), o C-Bus requer um cabo dedicado de par trançado não blindado de extra baixa tensão (apenas até 36 VCC), como o de categoria 5, e seu comprimento efetivo é muito maior que o do X-10, podendo chegar a 1 km. Dispositivos C-Bus sem fio também estão disponíveis. 

DALI é outra rede de controle bastante conhecida. No passado, reatores eletrônicos e dimmers para lâmpadas eram controlados por um sinal de 0-10 VCC. Com DALI, IEC 60929 (versão antiga) ou IEC 62386 (versão atual), um controlador pode monitorar e controlar todos os dispositivos de iluminação na rede por meio de uma troca de dados bidirecional. Mensagens de transmissão em grupo e de cena estão disponíveis para endereçar vários dispositivos simultaneamente, até 64 em uma rede autônoma. É necessário um barramento dedicado com uma taxa de transferência de dados fixa de 1.2 kbps.

O protocolo CAN (Controller Area Network) é um padrão definido pela ISO (ISO 11898) para comunicação serial de dados com taxas de bits de até 1 Mbps. Inicialmente desenvolvido para a indústria automotiva, tornou-se um barramento popular na automação industrial. Trata-se de um sistema de rede de alta velocidade, com dois fios e modo half-duplex (a comunicação é bidirecional, mas unidirecional em qualquer instante), ideal para aplicações de alta velocidade que utilizam mensagens curtas. O protocolo CAN define as duas primeiras camadas do modelo OSI e existem quatro tipos diferentes de mensagens (ou quadros) em um barramento CAN: dados, remotas, de erro e de sobrecarga. Naturalmente, as mensagens mais comuns encontradas em um barramento CAN são do tipo quadro de dados. O barramento CAN foi aplicado no controle de elevadores para lidar com despacho e economia de energia. Mas, novamente, os objetos, características e funções dos sistemas de elevadores não são especificados abertamente pela CAN; o aplicativo ainda é proprietário. 

Com a crescente demanda por redes de controle sem fio devido à popularidade do Wi-Fi (família de padrões IEEE 802.11), uma tecnologia baseada no padrão IEEE 802.15, chamada ZigBee, foi desenvolvida em 1998. Padronizada em 2003, ela utiliza rádios digitais pequenos e de baixo consumo de energia. Dispositivos ZigBee podem transmitir dados a longas distâncias, passando-os por dispositivos intermediários, criando assim uma rede mesh sem a necessidade de um controle centralizado ou transmissor/receptor de alta potência. Atualmente, o ZigBee, com uma taxa de dados padrão de 250 kbps, tem sido implementado em dispositivos de automação predial, principalmente sensores, que podem ser posicionados livremente no ambiente, pois exigem baixa taxa de dados, mas possuem longa duração da bateria e rede segura. Outra tecnologia sem fio, o Bluetooth, é voltada principalmente para redes de área pessoal, não sendo adequada para automação predial.

O TCP/IP, talvez o protocolo mais conhecido do mundo, na verdade se refere a três tipos de protocolos: Protocolo de Controle de Transmissão (TCP), Protocolo da Internet (IP) e Protocolo de Datagrama do Usuário (UDP). A Agência de Projetos de Pesquisa Avançada dos EUA (USAR) desenvolveu a primeira versão do TCP em 1973. O primeiro padrão formal, a versão 4 (IPv4), foi criado em 1980. O modelo TCP/IP utiliza quatro camadas, derivadas das sete camadas do modelo OSI. São elas: camada de acesso à rede (camadas física e de enlace de dados do modelo OSI), camada de Internet (camada de rede do modelo OSI), camada de transporte (camada de transporte do modelo OSI) e camada de aplicação (camadas de sessão, apresentação e aplicação do modelo OSI). 

O protocolo IP é responsável por interconectar diferentes tecnologias de redes locais (LANs), criando uma rede virtual que permite que todos os dispositivos se comuniquem entre si como se estivessem na mesma rede. No IPv4, o endereço IP é um número binário de 32 bits, enquanto o IPv6 utiliza um endereço de 128 bits (oito grupos de 16 bits cada). Existem duas versões de serviços da camada de transporte: UDP, um protocolo de transporte não confiável, porém eficiente e rápido, e TCP, um protocolo de transporte completo, orientado a conexão, com controle de fluxo e mecanismos de transmissão e retransmissão com confirmação. O TCP garante a entrega confiável e ordenada de dados do remetente ao destinatário. Diferentemente do TCP, o UDP suporta broadcast de pacotes (envio para todos em uma rede local) e multicast (envio para todos os assinantes). Aplicações de rede comuns que utilizam UDP incluem o Sistema de Nomes de Domínio (DNS) e aplicações de streaming de mídia, como VoIP (Voz sobre IP). Embora impopular, alguns dispositivos de automação predial agora são implementados em TCP/IP. 

O oBIX, quase concluído, mas ainda em desenvolvimento, é uma iniciativa de toda a indústria para definir a Linguagem de Marcação Extensível (XML), que é legível tanto por humanos quanto por máquinas, em contraposição à Linguagem de Marcação de Hipertexto (HTML), comumente utilizada. O XML é um mecanismo baseado em serviços web para sistemas de controle predial. O objetivo é definir um protocolo padrão de serviços web para permitir a comunicação entre os sistemas mecânicos e elétricos de edifícios e os aplicativos corporativos em um nível superior. Esse protocolo permitirá que as instalações e suas operações sejam gerenciadas como participantes plenos em negócios baseados em conhecimento. 

Os três protocolos abertos mais populares e amplamente aceitos para automação predial são Konnex, LonTalk e BACnet. Na década de 1990, na Europa, havia três tecnologias de rede populares: Batibus, European Installation Bus (EIB) e European Network Bus (ENB). Home Sistema (EHS). No final da década de 1990, eles se fundiram para formar a Konnex Association, uma organização que representa um padrão aberto, livre de royalties e independente de plataforma para controle residencial e predial, aprovado como padrão europeu (EN 50090 e EN 13321-1) e mundial (ISO/IEC 14543). O protocolo Konnex utiliza apenas cinco das sete camadas do modelo OSI, excluindo as camadas de sessão e apresentação. Os principais componentes de uma rede Konnex são os Módulos de Interface de Barramento (BIMs) e as Unidades de Acoplamento de Barramento (BCUs).

LonWorks

O sistema LonWorks, desenvolvido pela Echelon Corp. de San Jose, Califórnia, é uma solução de automação e controle em rede para mercados como construção civil, indústria, transporte e residências. O protocolo em si é chamado LonTalk e possui certificação de acordo com as normas nacionais e internacionais ANSI/CEA 709.1, IEEE 1473-L, EN 14908 e ISO/IEC 14908-1.

De acordo com a Motorola Catálogo de Dados de Dispositivos da LonWorks Technology: 

“A tecnologia LonWorks é uma plataforma completa para a implementação de sistemas de redes de controle. Essas redes consistem em dispositivos ou nós inteligentes que interagem com o ambiente e se comunicam entre si por meio de diversos meios de comunicação, utilizando um protocolo de controle comum baseado em mensagens.”

Em uma rede LonWorks, não há necessidade de controle central nem de uma arquitetura mestre/escravo. Dispositivos de controle inteligentes, chamados nós, comunicam-se entre si usando o protocolo comum LonTalk. Cada nó contém inteligência embutida que implementa o protocolo e executa funções de controle. Além disso, cada nó inclui uma interface física (transceptor) que conecta o microcontrolador do nó (chip neurônio) ao meio de comunicação. Cada chip neurônio possui um identificador (ID) único de 48 bits gravado no hardware, uma característica especial do LonWorks. Um dispositivo pode transmitir esse ID pela rede para permitir que a ferramenta de gerenciamento de rede atribua um endereço lógico para o dispositivo ser ativado. 

O LonWorks suporta múltiplos meios de comunicação, como par trançado, linha de energia, coaxial, infravermelho, fibra óptica e radiofrequência, e o LonTalk pode ser encaminhado através de TCP/IP. Com o auxílio de um dispositivo. O meio mais fundamental envolve o uso de cabos de par trançado não blindados de 16 AWG com uma taxa de dados de 78.1 kbps, tanto em topologia livre quanto em barramento. A taxa mais alta pode atingir 1.25 Mbps (ainda em pares trançados), mas apenas em topologia de barramento. 

Os elementos-chave do LonWorks são as variáveis ​​de rede (NVs) e as propriedades de configuração (CPs), que juntas formam blocos funcionais (Figura 1). Uma variável de rede pode ser qualquer dado (temperatura, valor de um interruptor, configuração da posição de um atuador, etc.) que um determinado programa de aplicação de dispositivo espera receber de outros dispositivos na rede (uma NV de entrada) ou espera disponibilizar para outros dispositivos na rede (uma NV de saída). As NVs são as conexões virtuais (fictícias) entre dispositivos na rede. As CPs são como interruptores DIP virtuais no hardware, permitindo ao usuário selecionar modos específicos de operação do dispositivo. Elas fornecem padrões para documentação e para formatos de mensagens de rede usados ​​para configurar a operação de um dispositivo ou bloco funcional. Se diferentes fornecedores adotarem suas próprias NVs e CPs, os dispositivos não serão interoperáveis. Portanto, um órgão regulador, a LonMark International, atua como fiscalizador para garantir o cumprimento dos padrões e promover e impulsionar a integração eficiente e eficaz de sistemas de controle abertos e de múltiplos fornecedores, utilizando a norma ISO 14908-1 e normas relacionadas. 

A LonMark publica tipos de variáveis ​​de rede padrão (SNVTs), tipos de propriedades de configuração padrão, modelos de perfil funcional padrão, tipos de enumeração padrão e IDs de programa padrão, além de certificar produtos. Somente variáveis ​​de rede do mesmo tipo em dois dispositivos podem ser vinculadas para interoperabilidade. Portanto, é de extrema importância que os fornecedores fabriquem os dispositivos de acordo com perfis funcionais padrão para garantir total interoperabilidade. Uma estrutura predefinida de um bloco funcional para um determinado tipo de dispositivo, que define todas as entradas e saídas de rede obrigatórias de uma função específica, bem como propriedades de configuração como taxas, limites e valores padrão, é chamada de perfil funcional padrão. Dito isso, o fornecedor ainda pode adicionar entradas/saídas de rede e propriedades de configuração opcionais a um dispositivo, além dos requisitos da LonMark, projetando assim seus próprios algoritmos de controle e software funcional dentro do dispositivo. 

Para aplicações em sistemas de elevadores, estão disponíveis, entre outros, os seguintes perfis funcionais padrão:

• Controlador de acesso ao elevador
• Indicador de elevador
• Indicador de posição do elevador e visor de mensagens
• Lanterna do hall do elevador (Figura 2)
• Sinal sonoro de chegada do elevador
• Lanterna de direção da cabine do elevador
• interfaces de sistemas de transporte vertical/por esteira
• porto de sistemas de incêndio de elevadores
• dispositivos de comunicação para transporte vertical/por esteira
• Anunciador de voz de elevador
• Os SNVTs existentes são frequentemente empregados nesses perfis funcionais. Por exemplo:
• O nome do andar é fornecido por “SNVT_str_asc”, que é uma sequência de caracteres com até 30 caracteres.
• As direções de deslocamento (“UpCar” e “DownCar”) são dadas por “SNVT_switch”, que é principalmente uma função booleana que indica ligado e desligado, mas com níveis de cinza.
• A posição do carro é dada por SNVT_count, que é um "unsigned long" de 2 bytes com um valor mínimo de 0 e um valor máximo de 65536.

Outros SNVTs, como “SNVT_motor_state”, “SNVT_power”, “SNVT_amp” e “SNVT_elec_kwh”, também podem ser usados ​​em um sistema de elevador. 

Conclusão

A ciência dos protocolos abertos foi discutida, seguida de uma breve revisão de diferentes protocolos abertos utilizados em automação predial. Embora ModBus e CANbus tenham sido empregados em sistemas de elevadores, eles ainda são considerados proprietários, pois os objetos e mensagens de comunicação de diferentes fabricantes não são de domínio público. Um padrão popular, LonTalk, foi discutido com mais detalhes. Tipos de variáveis ​​de rede padrão e perfis de função padrão para uso em sistemas de elevadores foram destacados. São protocolos abertos, pois diferentes fabricantes podem integrá-los em seus sistemas de controle. Na Parte 2 deste artigo, outro padrão popular, BACnet, será discutido, visto que o autor esteve envolvido no desenvolvimento de alguns objetos específicos para elevadores.

Referências

[1] Shabarinath, BB e Gaur, N. “Comunicação Modbus em Controlador de Elevador Baseado em Microcontrolador”, Anais da Conferência Internacional de Controle, Automação, Robótica e Sistemas Embarcados de 2013, IEEE, Jabalpur, Índia, Dezembro de 2013.

[2] Jian Chu e Qing Lu. “Pesquisa sobre sistema de controle de cartão inteligente de elevador baseado em barramento CAN”, Prof. 2012 Int. Conf. on Systems and Informatics, IEEE, Yantai, China, maio de 2012.

[3]Tiersch, Friedber. Tecnologia LonWorks: Uma Introdução, -2. Aufl. –Erfurt: Desotron-Verl.-Ges, 2002.

[4] Shahnasser, H. e Wang, Q. “Controlando dispositivos industriais sobre TCP/IP usando LonWorks”, Anais da Conferência Global de Telecomunicações, Sydney, 1988.