Você conhece o protocolo de comunicação J1939? O padrão opera sob redes seriais do tipo CAN e é muito comum no mercado automotivo para comunicação entre os diversos dispositivos presentes em veículos de grande porte, como máquinas agrícolas, empilhadeiras, retroescavadeiras, guindastes, entre outros.
No artigo de hoje, vamos fazer uma breve introdução sobre Controller Area Network ou rede CAN, explorando detalhes de como o protocolo de comunicação J1939 opera e qual sua utilidade para as redes de comunicação veiculares.
Entenda como funciona a comunicação do tipo CAN
Controller Area Network (CAN) é uma tecnologia de rede serial originalmente projetada para a indústria automotiva, mas que se tornou popular em outras aplicações do segmento de automação industrial. O barramento CAN é usado principalmente em sistemas embarcados e, como o próprio nome indica, é uma tecnologia de rede que fornece comunicação rápida entre microcontroladores com requisitos de interação em tempo real.
O padrão serial CAN utiliza um sistema half duplex de alta velocidade, o que dá a ele um desempenho superior em relação às tecnologias seriais convencionais, como RS-232. Essa funcionalidade do padrão elimina a necessidade de utilizar uma memória RAM de porta dupla, que tem custo mais elevado e maior complexidade para implementação.
Quando se trata de tempo de reação curto, detecção de erros e rápida recuperação, o CAN tem desempenho superior inclusive ao padrão TCP/IP. Enquanto o TCP/IP é projetado para o transporte de grandes quantidades de dados, o modelo CAN usa pacotes menores e possui requisitos de tempo real com taxa de transmissão de 1 MBit por segundo. Esse desempenho pode facilmente superar uma conexão TCP/IP de 100 MBits por segundo.
Além de ser utilizado como um sistema de comunicação embarcado para microcontroladores, o padrão de comunicação CAN também pode ser aplicado como um sistema de comunicação aberto para dispositivos inteligentes. Hoje, por exemplo, a tecnologia é encontrada em soluções de robótica para engenharia médica, área que utiliza CAN devido à sua capacidade de cumprir requisitos rigorosos de segurança.
A maior vantagem da tecnologia CAN está no menor volume de cabeamento necessário e no seu desenvolvido padrão de prevenção de colisão de pacotes, o que garante que nenhum dado será perdido durante a transmissão da mensagem.
Agora que você já conhece um pouco sobre a tecnologia CAN, vamos falar sobre o J1939, protocolo de comunicação amplamente utilizado em veículos de construção, manuseio de materiais, transporte industrial, máquinas agrícolas, entre tantas outras aplicações.
Conheça o protocolo de comunicação J1939
Lançado em 1994 pela Society of Automotive Engineers (SAE), o J1939 é um protocolo de alto nível que opera com base no padrão CAN. Ele fornece comunicações do tipo serial entre microprocessadores para veículos pesados com motor a diesel. As redes de comunicação que operam com base no protocolo são geralmente utilizadas para troca de mensagens sobre diferentes variáveis, como velocidade do veículo, controle de torque da transmissão para o motor, temperatura do óleo e muito mais.
Para realizar essa comunicação de forma efetiva o J1939 estabelece um procedimento padrão, determinando como as ECUs (sigla em inglês para Unidades Eletrônicas de Controle) devem interagir entre si ou com sistemas eletrônicos embarcados. Essas unidades e sistemas podem, por exemplo, ser utilizadas na coleta, processamento e compartilhamento de dados de diagnóstico, como posicionamento via GPS.
A utilização do J1939 como protocolo padrão traz muitos benefícios, o primeiro dos quais é a criação de uma “linguagem” compartilhada universal para a interação entre recursos. Isso permite que veículos pesados sejam equipados com dispositivos de diferentes fabricantes sem que tenham problemas de incompatibilidade entre equipamentos.
Veja também: A importância da IEC 61131-3 para a programação de CLP
Como o protocolo J1939 opera
O protocolo J1939 opera com base na distribuição de mensagens via broadcast, o que significa que elas não têm um destinatário específico. Isso permite que qualquer dispositivo use os dados sem exigir mensagens de solicitação adicionais.
Quando uma mensagem precisa ser direcionada a um destinatário específico, um endereço de destino pode ser incluído no identificador da mensagem. Esse tipo de mensagem direcionada pode ser utilizada para solicitar, por exemplo, o valor de torque específico do motor. É interessante realizar essa solicitação direcionada para não sobrecarregar os demais dispositivos.
O protocolo J1939 utiliza um identificador de 29 bits definido pelo modelo CAN 2.0B. O identificador é usado de forma ligeiramente diferente em uma mensagem com endereço de destino em comparação a uma mensagem de broadcast.
Esse identificador de mensagem conta com um campo chamado PF, que determina se o pacote deve ser transmitido para um endereço de destino específico ou se ele é um broadcast.
Se o valor de PF estiver entre 0 e 239, a mensagem é endereçável e o campo seguinte, chamado de PS, contém o endereço de destino. Já se o valor de PF estiver entre 240 e 255, a mensagem é um broadcast e o campo PS contém uma Extensão de Grupo, que expande o número de possíveis parâmetros de transmissão a serem representados pelo identificador.
Cada dispositivo em uma rede CAN operando com base em J1939 possui um Nome, um identificador único de 8 bytes. O principal objetivo do Nome é descrever uma ECU. Ao reivindicar um endereço, o Nome é usado para determinar qual elemento da rede tem maior prioridade e, portanto, ele obterá o endereço que foi reivindicado.
Cada dispositivo na rede deve estar associado a pelo menos um Nome e um endereço. No entanto, diferentes nomes e endereços podem coexistir em uma única ECU. Por exemplo, um motor e um freio motor podem fazer parte de um mesmo dispositivo e compartilhar o seu barramento físico. Neste caso, o endereço do dispositivo define a origem ou o destino da mensagem, enquanto o Nome identifica a funcionalidade e adiciona um número de instância exclusivo para ela.
A importância do J1939 em redes de comunicação veicular
O protocolo J1939 facilita o processo de coleta, processamento e distribuição de dados de ECUs e outros recursos de diagnóstico para os sistemas de controle e supervisão dos veículos. Isso permite aos operadores e à equipe de gestão da frota analisar o desempenho dos veículos e tomar decisões com base em informações atualizadas em tempo real.
As informações geradas através dos dados coletados e transmitidos para os sistemas de controle e supervisão dão uma visão completa sobre a frota. Esse recurso permite aos gestores agendar manutenções, monitorar e abordar questões de segurança e desempenho do motorista, agilizar a conformidade do processo com as normas do mercado e melhorar a performance do sistema.
Em última linha, a implementação de um sistema com redes de comunicação baseadas no protocolo J1939 pode resultar em um número menor de paradas não programadas, reduzindo custos de manutenção e aumentando a eficiência operacional.
Falando em redução de paradas para manutenção, veja também: O impacto da tecnologia de troca a quente em sistemas de controle.
Empresa cria sistema de controle de motor com o CLP XP340
Como vimos até aqui, o protocolo de comunicação J1939 pode ser um recurso extremamente valioso em aplicações de controle para motores a diesel. Recentemente, um de nossos parceiros no Canadá utilizou a tecnologia do CLP Nexto Xpress, linha de CLPs compactos da Altus com suporte ao protocolo, para desenvolver uma nova solução de controle para o motor a diesel da bomba de pressurização utilizada na linha flexível responsável pela correta distribuição de fertilizantes no campo.
Usando a tecnologia dos controladores programáveis Nexto Xpress a solução controla diferentes processos do motor, incluindo aceleração, partida e parada, marcha lenta e desligamento em caso de falha crítica, como alta temperatura do líquido de arrefecimento, aumento na pressão de saída ou erro crítico nos sensores periféricos.
A arquitetura projetada conta com um CLP XP340 como peça principal. O equipamento atua no monitoramento das variáveis ligadas a diferentes sensores do processo, incluindo nível de combustível, pressão de entrada, pressão de saída e fluxo, contador de pulso de volume (do medidor de vazão) e desligamento do motor.
Na aplicação desenvolvida, o CLP Nexto Xpress comunica diretamente com o motor através do protocolo de comunicação J1939 e utiliza controle discreto para acionamento das válvulas hidráulicas, bomba hidráulica e bomba primer.
Veja mais detalhes sobre o projeto no artigo Agroindústria canadense utiliza CLP Xpress para automatizar produção.
CLP Nexto Xpress conta com suporte a J1939
Criado para atender às demandas de um mercado cada vez mais conectado, os CLPs compactos da linha Nexto Xpress contam com uma ampla variedade de interfaces e recursos de comunicação. Essa alta tecnologia embarcada possibilita que eles sejam aplicados nas mais variadas soluções do mercado de automação industrial.
Com interface CAN integrada, os CLPs Nexto Xpress possuem suporte nativo ao protocolo J1939, o que os qualifica como solução de controle para o mercado de máquinas agrícolas, unidades móveis de exploração de óleo onshore, geradores e sistemas de energia, equipamentos de mineração, entre outras aplicações.
Além da tecnologia CAN, os controladores compactos da Altus também contam com interface Ethernet, RS-232/485 e USB, recursos que possibilitam o suporte a uma variada lista de protocolos de comunicação, como MODBUS, PROFINET, EtherNet/IP, CANopen, OPC UA, MQTT, entre outros. Os recursos também permitem ao controlador comunicar diretamente com os principais serviços de hospedagem na nuvem do mercado.
Entre suas muitas funcionalidades, os produtos Xpress podem ser utilizados como gateways IoT para pequenas aplicações. Os CLPs da família podem, por exemplo, atuar na coleta de dados de produção em campo através de uma rede MODBUS TCP e enviá-los via OPC UA ou MQTT para um sistema supervisório hospedado na nuvem.
Saiba mais sobre os CLPs da linha Nexto Xpress e como eles podem ser sua porta de entrada para o mundo da Indústria 4.0
