AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E …etla.com.pt/images/redescampo.pdf · AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Mestre

AS REDES DE CAMPO EM

INSTRUMENTAÇÃO E

CONTROLO INDUSTRIAL

Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores

Março de 2004

FICHA TÉCNICA

Título

AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Copyrigth © 2004 do autor

Autor

Gustavo Monteiro da Silva e-mail: [email protected]

Edição

Escola Superior de Tecnologia de Setúbal R. do Vale de Chaves, Estefanilha 2914-508-SETÚBAL Portugal Tel. 265 790 000 Fax 265 721 869

ISBN: 972-98624-7-8 Depósito Legal Nº: 1

Lisboa, Março de 2004

Trabalho realizado sob a supervisão do

Doutor Eng.º José Miguel Dias Pereira

Professor Coordenador da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal

À memória da minha mãe

RESUMO

Apresenta-se o conceito de Rede de Campo como um novo marco no desenvolvimento da

Instrumentação de Medida. Analisam-se as potencialidades da instrumentação ligada em rede

e faz-se uma apreciação comparativa com a forma clássica de utilizar a instrumentação.

Indicam-se diversas formas de ligar a instrumentação em rede, bem como os procedimentos a

utilizar para efectuar uma instalação correcta. Faz-se um estudo sobre a configuração de

diversos constituintes de um sistema. Mostram-se quais os cuidados a observar para ter uma

rede fiável e rápida.

Finalmente apresentam-se os resultados de um trabalho experimental em que se utiliza

instrumentação em rede para controlar, num tanque fechado, a temperatura, o caudal o nível e

a pressão.

PALAVRAS CHAVE

Redes de Campo, “Fieldbus”, Instrumentação de Medida, Sensores Digitais, Controlo

Distribuído, Controlo Industrial.

ABSTRACT

The concept of Fieldbus is introduced here as a new millstone on the Measurement

Instrumentation development.

The potential of using networks to connect the instrumentation is analyzed in this work, as its

made a comparison with the classical way of connecting instruments.

Several ways of making the networks are shown, together with the procedures necessary to

have a good installation. It is done a study on how to configure the devices of a Fieldbus

system, as well the required cares in order to have a reliable and fast network.

Finally are shown the results of an experimental work using a Fieldbus network. With this

network, used together with a pressurized tank, several variables are controlled, mainly

temperature, flow, level and pressure.

KEYWORDS

Sensors Networks, Fieldbus, Measurement Instrumentation, Digital Sensors, Distributed

Control, Industrial Control.

AGRADECIMENTOS

Quero agradecer,

– Ao Professor João Catarino, pelo estímulo que me deu para que este projecto se realizasse, e pelo agrado com que seguiu a sua execução.

– Ao Professor Dias Pereira, pela forma interessada como soube acompanhar este trabalho, e pela preocupação que sempre revelou com todos os detalhes, quer de caracter teórico ou experimental.

– Ao encarregado do Laboratório de Instrumentação e Medida, Sr. António Silva, pelo grande auxílio que deu na construção do caudalímetro, na calibração dos instrumentos analógicos e na montagem do equipamento, e sem o qual não teria sido fácil a execução do trabalho.

– Ao encarregado de trabalhos do Laboratório de Instrumentação e Medida, Renato Bito, pelo valioso auxílio que deu na execução de pequenos dispositivos de interface e na montagem e acompanhamento dos trabalhos experimentais.

– À minha mulher e ao meu pai, que tiveram a minha companhia mais reduzida mas mais uma vez compreenderam que me dediquei a esta causa com gosto e entusiasmo.

CONTEÚDO

1. AS REDES DE CAMPO 1

1.1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................... 1 1.2. EVOLUÇÃO HISTÓRICA ................................................................................................................................. 3 1.3. TIPOS DE REDES ........................................................................................................................................... 5 1.4. VANTAGENS DA INSTRUMENTAÇÃO EM REDE .............................................................................................. 6

2. AS COMUNICAÇÕES 9

2.1. INTRODUÇÃO ............................................................................................................................................... 9 2.2. ARQUITECTURA DA REDE ........................................................................................................................... 10 2.3. O MEIO FÍSICO........................................................................................................................................... 12

2.3.1. Os condutores da rede ....................................................................................................................... 12 2.3.2. Tensões e correntes ............................................................................................................................ 12 2.3.3. Codificação dos sinais ....................................................................................................................... 13

2.4. PILHA DE COMUNICAÇÃO........................................................................................................................... 15 2.4.1. Camada de enlace de dados............................................................................................................... 15

2.4.1.1. Comunicações programadas..................................................................................................................... 15 2.4.1.2. Comunicações não programadas .............................................................................................................. 16 2.4.1.3. Algoritmo do LAS ................................................................................................................................... 16

2.4.2. Sub-Camada de acesso à rede ........................................................................................................... 17 2.4.3. Sub-Camada de especificação de mensagens .................................................................................... 18

2.4.3.1. Dispositivos de campo virtuais................................................................................................................. 19 2.4.3.2. Serviços de comunicação ......................................................................................................................... 19 2.4.3.3. Formato das mensagens ........................................................................................................................... 19 2.4.3.4. Protocolo .................................................................................................................................................. 19

2.5. CAMADA DO UTILIZADOR. BLOCOS ........................................................................................................... 20 2.5.1. Introdução.......................................................................................................................................... 21 2.5.2. Bloco de recursos............................................................................................................................... 22 2.5.3. Blocos transdutores............................................................................................................................ 22

2.5.3.1. Bloco transdutor de entrada...................................................................................................................... 22 2.5.3.2. Bloco transdutor de saída ......................................................................................................................... 22 2.5.3.3. Bloco transdutor de diagnósticos ............................................................................................................. 22 2.5.3.4. Bloco transdutor de visualização.............................................................................................................. 22

2.5.4. Blocos de funções............................................................................................................................... 23 2.5.4.1. Bloco de entrada analógica ...................................................................................................................... 24 2.5.4.2. Bloco de entrada discreta ......................................................................................................................... 25 2.5.4.3. Bloco Integrador ...................................................................................................................................... 26 2.5.4.4. Bloco de aritmética .................................................................................................................................. 28 2.5.4.5. Bloco funcional controlador PID ............................................................................................................. 30

2.5.4.6. Bloco de alarmes analógicos .................................................................................................................... 32 2.5.4.7. Bloco tabela de valores ............................................................................................................................ 34 2.5.4.8. Bloco selector de entradas........................................................................................................................ 35 2.5.4.9. Bloco repartidor ....................................................................................................................................... 36 2.5.4.10. Bloco gerador de funções......................................................................................................................... 38 2.5.4.11. Bloco temporizador e lógica .................................................................................................................... 40 2.5.4.12. Bloco avanço/atraso ................................................................................................................................. 42 2.5.4.13. Outros blocos de funções ......................................................................................................................... 43 2.5.4.14. Bloco de saída analógica .......................................................................................................................... 44 2.5.4.15. Outros blocos de saída ............................................................................................................................. 45

3. OS INSTRUMENTOS 47

3.1. INSTALAÇÃO .............................................................................................................................................. 47 3.1.1. Acção da temperatura ........................................................................................................................ 47 3.1.2. Acção da humidade ............................................................................................................................ 47 3.1.3. Atmosferas corrosivas, inflamáveis e explosivas ............................................................................... 48 3.1.4. Efeito das vibrações ........................................................................................................................... 48

3.2. LD302 – FIELDBUS PRESSURE TRANSMITER.............................................................................................. 48 3.2.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 48 3.2.2. Instalação. Ligações. ......................................................................................................................... 48 3.2.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 49 3.2.4. Configuração ..................................................................................................................................... 51

3.2.4.1. Bloco de recursos ..................................................................................................................................... 51 3.2.4.2. Bloco transdutor....................................................................................................................................... 51

3.2.5. Manutenção........................................................................................................................................ 51 3.2.6. Especificações .................................................................................................................................... 52

3.2.6.1. Especificações funcionais ........................................................................................................................ 52 3.2.6.2. Especificações de desempenho ................................................................................................................ 52 3.2.6.3. Especificações físicas............................................................................................................................... 52

3.2.7. Calibração ......................................................................................................................................... 53 3.3. TT302 – FIELDBUS TEMPERATURE TRANSMITTER..................................................................................... 53

3.3.1. Descrição ........................................................................................................................................... 53 3.3.2. Instalação. Ligações. ......................................................................................................................... 54 3.3.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 55 3.3.4. Configuração ..................................................................................................................................... 55




3.3.7. Calibração ......................................................................................................................................... 58

3.4. IF302 – TRIPLE CHANNEL CURRENT TO FIELDBUS CONVERTER ................................................................ 59 3.4.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 59 3.4.2. Instalação. Ligações eléctricas .......................................................................................................... 59 3.4.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 60 3.4.4. Configuração ..................................................................................................................................... 60




3.5. FI302 – TRIPLE CHANNEL FIELDBUS TO CURRENT CONVERTER ................................................................ 62 3.5.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 62 3.5.2. Instalação. Ligações eléctricas .......................................................................................................... 62 3.5.3. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 63 3.5.4. Configuração ..................................................................................................................................... 64



3.6. FY302 –FIELDBUS VALVE POSITIONER ..................................................................................................... 65 3.6.1. Objectivo ............................................................................................................................................ 65 3.6.2. Instalação. Ar e ligações pneumáticas............................................................................................... 65 3.6.3. Instalação. Ligações eléctricas .......................................................................................................... 66 3.6.4. Descrição funcional - Hardware........................................................................................................ 67 3.6.5. Configuração ..................................................................................................................................... 68




4. PROJECTO DE REDES DE INSTRUMENTAÇÃO 71

4.1. INTRODUÇÃO···········································································································································71 4.2. DIAGRAMAS P&I ·····································································································································72 4.3. SELECÇÃO DOS INSTRUMENTOS. ··············································································································73 4.4. ESTRUTURA DA REDE.······························································································································73 4.5. ARQUITECTURA DOS SEGMENTOS H1. ······································································································76

4.5.1. Ligação em barramento (bus) ............................................................................................................ 76 4.5.2. Ligação em árvore (tree) ................................................................................................................... 76

4.5.3. Ligação em margarida (daisy)........................................................................................................... 77 4.5.4. Terminações ....................................................................................................................................... 77 4.5.5. Fonte de alimentação e impedância da FA........................................................................................ 77 4.5.6. Caixas de junção ................................................................................................................................ 78

4.6. LOCALIZAÇÃO DOS TRANSMISSORES. ·······································································································78 4.7. CABOS. SECÇÕES E COMPRIMENTOS. ········································································································79 4.8. INSTRUMENTAÇÃO INTRINSECAMENTE SEGURA. ······················································································80 4.9. REDUNDÂNCIA NOS TROÇOS DE REDE·······································································································81 4.10. UTILIZAÇÃO DE VÁRIOS TROÇOS DE REDE ······························································································82

5. TRABALHO EXPERIMENTAL 85

5.1. OBJECTIVO E TRABALHO REALIZADO ......................................................................................................... 85 5.2. DESCRIÇÃO DO PROCESSO.......................................................................................................................... 85 5.3. P&I E INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA ......................................................................................................... 88 5.4. INSTRUMENTAÇÃO ANALÓGICA ................................................................................................................. 90

5.4.1. Caudal de saída, FI01........................................................................................................................ 90 5.4.2. Nível do tanque, LI04........................................................................................................................ 90 5.4.3. Caudal de entrada, FI02 .................................................................................................................... 91 5.4.4. Temperatura da água, TY04............................................................................................................... 91

5.5. CONFIGURAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO DIGITAL ······················································································91 5.5.1. Temperatura da água························································································································· 91 5.5.2. Pressão do ar ····································································································································· 92 5.5.3. Pressão da água de alimentação········································································································ 93 5.5.4. Conversor IF ······································································································································ 94 5.5.5. Conversor FI ······································································································································ 97 5.5.6. Válvula de saída································································································································· 98 5.5.7. Válvula de água fria························································································································· 102 5.5.8. Lista de dispositivos activos············································································································· 102

5.6. CADEIAS DE CONTROLO SIMPLES ···········································································································103 5.6.1. Controlo do Caudal de saída ··········································································································· 103 5.6.2. Nível do reservatório························································································································ 106 5.6.3. Temperatura da água······················································································································· 110

5.7. CONTROLO MULTIVARIÁVEL··················································································································112 5.8. MODELO DE ESTADO DO PROCESSO ········································································································117

5.8.1. Modelo de estado do reservatório.................................................................................................... 117 5.9. SISTEMA DE SUPERVISÃO AUXILIAR ·······································································································119 5.10. CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES········································································································120 5.11. ANEXO - CONVERSOR CORRENTE/TENSÃO····························································································121

LISTA DE SIGLAS……………………………………………………………………………………………. 123

BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………………… 125

1. AS REDES DE CAMPO

1.1. Introdução

As redes de campo, designadas na literatura anglosaxónica por "fieldbuses", são redes locais de comunicação, bidireccionais, projectadas e utilizadas para interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controlo e sistemas de operação industriais.

Uma vez que nas redes de campo transitam sinais de controlo, os dados têm que fluir na rede em “tempo real”. Além disso a interligação de instrumentos entre si é bidireccional, característica que para os instrumentos que são apenas de medida praticamente não existe na tecnologia convencional, mesmo na que utiliza sistemas de controlo distribuído, onde, no caso dos sensores, a informação apenas flui dos dispositivos de campo, para o sistema de operação.

De um modo bastante geral, consideram-se instrumentos de campo todos os instrumentos de medida ou sensores, os actuadores e os posicionadores, correntemente acoplados às válvulas de controlo, e os controladores lógicos programáveis (PLC) de uma instalação. Ligados às redes de campo estão também os sistemas de operação, correntemente designados por consolas de operação, através dos quais os operadores das instalações industriais podem acompanhar, controlar e decidir sobre a evolução das variáveis de processo da instalação.

A instrumentação em rede constitui um conceito novo no domínio da instrumentação industrial, na medida em que permite que todos os algoritmos de cálculo, incluindo os de controlo, se encontrem distribuídos pelos diversos instrumentos que estão ligados à rede. Por esta razão também se dá o nome de FCS (“fieldbus control system”) aos sistemas de controlo industrial com este tipo de arquitectura.

Há actualmente um grande número de tipos de redes para utilização com instrumentação de campo, cada uma delas com as suas características próprias e para aplicações concretas. Assim, há redes para utilização específica com a instrumentação de processos de controlo, redes para utilização em domótica, para utilização com autómatos, redes para a indústria automóvel, etc.

Uma característica muito importante em muitas destas redes é a sua interoperabilidade, ou seja, a possibilidade de os instrumentos de um fabricante poderem ser substituídos por outro de qualquer fabricante, com conservação de todas as características funcionais.

Na Fig. 1, na página seguinte, representa-se de uma forma esquemática, a interligação de instrumentos numa rede de campo.

AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva

Página 2 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Março de 2004

Fig. 1 – Interligação de instrumentos em rede de campo

Um sistema em rede de campo industrial, para ser utilizado ao nível da instrumentação de medida e controlo, deve apresentar algumas características essenciais, nomeadamente:

• Deve haver vários instrumentos suportados pelo mesmo cabo de rede. • Os cabos de rede deverão servir simultaneamente para efectuar a alimentação dos

instrumentos e para a transmissão da informação. • Não deverá haver equipamento intermediário entre a operação e o campo. • Os sinais na rede devem ser exclusivamente digitais. • A comunicação deverá ser bidireccional. • O sistema deverá poder funcionar mesmo na situação anómala de não ter o sistema de

operação a funcionar.

O cabo de ligação da rede é usualmente um par entrançado blindado, de secção inferior a 1 mm2. Deste modo há uma redução nos custos da cablagem comparativamente com os sistemas convencionais de 4-20 mA, redução que tem um significado apreciável se a instalação contiver um grande número de instrumentos em rede.

O facto dos cabos de rede servirem simultaneamente para as comunicações e para alimentar os instrumentos conduz a uma simplificação da instalação e a uma redução acrescentada nos custos de instalação.

Ao não existir equipamento intermediário entre as redes de campo e as estações de operação está-se a efectuar uma redução na quantidade de equipamento, com nova redução nos custos.

Sistema de operação

Instrumentação de campo

Rede FieldBus Fonte de alimentação Terminação

Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL

Março de 2004 Capítulo 1 – Introdução às Redes de Campo Página 3

Como os sinais transmitidos através da rede são exclusivamente digitais, há um aumento na precisão destes, uma maior imunidade ao ruído e uma maior capacidade de processamento, pelo facto de se poderem utilizar microprocessadores.

Finalmente salienta-se a bidireccionalidade da comunicação. Esta é aqui essencial, pois permite efectuar a calibração e diagnósticos remotos dos instrumentos de medida e das válvulas de controlo, permitindo ainda que os diversos algoritmos estejam localizados em qualquer instrumento de rede.

Todas estas características, que serão vistas em detalhe no decorrer deste trabalho, permitem afirmar à partida que o conceito de rede de campo constitui o início de uma nova era, tanto no campo da instrumentação de medida como no de controlo de sistemas.

1.2. Evolução histórica

Por volta de 1950 já estava consolidado o uso de instrumentação de medida pneumática, com sinal saída de ar normalizado entre 3-15 PSI no caso de sensores e sinal de comando também com ar, com a mesma gama. Os sinais de medida e de controlo, pneumáticos, eram reunidos na sala de operação, onde existia uma grande quantidade de indicadores, registadores e controladores pneumáticos, sendo o controlo, na maioria dos casos, feito variável a variável.

Cerca de 1960 começou a generalizar-se a instrumentação electrónica, em que o sinal pneumático foi substituído por um sinal eléctrico contínuo. Foi muito grande, e continua a ser, a quantidade de instrumentos que utiliza o sinal em corrente, com a gama de 4-20 mA. É o aparecimento da instrumentação electrónica que dá origem ao rápido desenvolvimento dos sistemas de controlo por meio de computador, em que um computador central recebe a informação dos sensores e envia sinais de comando para os actuadores. São os chamados sistemas DDC (“direct digital control”).

Se os sistemas DDC possuiam a grande vantagem de eliminar os indicadores, registadores e controladores de painel, de recolherem e processarem a informação dos sensores e efectuarem um controlo do processo mais eficiente, tinham o inconveniente de usarem computadores, lentos e pouco fiáveis, de custo muito elevado, com programação em linguagem máquina ou através de linguagens dedicadas. Passou a haver necessidade de ter pessoal especializado. Além disto, não era muito cómodo nem económico conduzir centenas ou até milhares de cabos a um local apenas: a sala do computador.

Os sistemas DDC tiveram um grande desenvolvimento com o aparecimento dos minicomputadores, estimando-se que houvesse em 1970 cerca de 5000 sistemas DDC, e em 1975 perto de 50 000. Para estes sistemas o custo da cablagem ultrapassava por vezes em 50 % o custo do sistema DDC.

Com o objectivo de aumentar a fiabilidade e a rapidez, diminuir a cablagem e consequentemente diminuir os custos de exploração e de instalação, começaram a aparecer os actuais sistemas DCS



(“distributed control systems”); corria o ano de 1975. Foi por esta altura que também apareceram os controladores lógicos programáveis, vulgarmente conhecidos por PLCs. Nestes sistemas DCS são utilizadas unidades de campo independentes, com microprocessador e memória, às quais se encontra ligada apenas a instrumentação de uma determinada área. Estes módulos estão ligados a a um computador central, a um “bus” comum ou então a uma rede de comunicação.

Por volta de 1980 surgiu a primeira instrumentação inteligente. Esta é caracterizada por conter um microprocessador, que lhe permite aumentar enormemente a potencialidade. É possível nomeadamente efectuar diagnósticos, usar um indicador local digital em que se pode mostrar o nome da cadeia de medida, as unidades utilizadas na apresentação das grandezas, a validade da medida e efectuar a calibração numericamente. No entanto um dos passos importantes na evolução da instrumentação inteligente foi a utilização de um sinal digital, sobreposto ao sinal analógico, podendo comunicar-se com o instrumento através de um pequeno “calibrador” portátil, que permite reconfigurar e calibrar o dispositivo sem ter que retirá-lo de serviço. Este método é utilizados nos sistemas híbridos do tipo “HART”.

Com o aumento do número de instalações de grande porte, em que o custo dos cabos de ligação dos instrumentos constitui uma fracção significativa do custo de um sistema de controlo, houve necessidade de diminuir a quantidade de cablagem numa instalação. Está-se assim a enveredar pelo caminho de sistemas com a instrumentação ligada em rede (sensores, válvulas, actuadores). Pare isto tem também contribuído o desenvolvimento e a miniaturização da electrónica digital. Um sistema deste tipo é designado na literatura anglo-saxónica por “Fieldbus Control System” – FCS. Na Fig. 2 representa-se, de uma forma aproximada não à escala, a evolução no número de sistemas de cada um destes tipos e na Fig. 3 representa-se de uma forma esquemática a configuração de cada um dos tipos de sistemas que acaba de se referir.

Fig. 2 – Evolução de cada tipo de sistema

nº d

e si

stem

as n

o m

undo

DCS

Pneumático

DDC

| | | | | | | 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 ano

FCS



Fig. 3 – Configuração básica dos diversos tipos de sistemas

1.3. Tipos de redes

A instrumentação em rede começou a aparecer por volta de 1990/95. Uma vez que se trata de instrumentação exclusivamente digital, surgiu o seguinte problema: qual o protocolo que deve ser utilizado de modo a que haja interoperabilidade, ou seja, um instrumento de um determinado fabricante possa ser substituído por outro de outro fabricante sem que haja qualquer perturbação. Apesar de ter havido um grande esforço com o objectivo de utilizar apenas um tipo de rede, com apenas um protocolo, não tem sido possível alcançar este objectivo, devido a considerações de ordem técnica associadas a interesses económicos e políticos. Surgiram sim diversos tipos de redes, consoante a aplicação a que se destinam e a zona económica em que estão inseridos os fabricantes, nomeadamente a ASI, a CAN, a DEVICENET, a FOUNDATION FIELDBUS, a INTERBUS, a MODBUS a PROFIBUS, a WORLDFIP, etc.

Na Fig. 4 representa-se esquematicamente o domínio de aplicação de alguns tipos de redes existentes. A escolha de um determinado tipo de rede depende fundamentalmente do nível de complexidade das cadeias de controlo e do tipo de dispositivos em causa.

No caso que interessa mais em instrumentação e controlo, em que se trabalha com um nível de complexidade elevado, ao nível do bloco de bytes e em que se utilizam estratégias de controlo avançadas, são de salientar as redes “PROFIBUS” e “FOUNDATION FIELDBUS”. Esta última, núcleo deste trabalho, é descrita no capítulo seguinte.

DDC

PID

DCS FCS

• Cablagem longa e concentrada num ponto

• Sistema lento • Cartas de E/S

• Redução na cablagem• Sistema rápido • Cartas de E/S

• Redução adicional na cablagem

• Sistema rápido • Não há cartas de E/S

PID

PID



Fig. 4 – Domínio de aplicação dos tipos de redes

1.4. Vantagens da instrumentação em rede

A utilização da instrumentação em rede é vantajosa, quando comparada com a instrumentação convencional usada em sistemas de controlo distribuído. Além dos pontos já apresentados anteriormente, são de salientar mais os seguintes:

• Visibilidade acrescida de toda a instrumentação digital. • Diagnósticos em linha, em qualquer ponto do sistema. • Manutenção preventiva através do próprio sistema. • Expansão da rede com o sistema em funcionamento. • Tecnologia aberta.

O conceito de visibilidade acrescida é apresentado Fig. 5 e pode ser ilustrado com o seguinte exemplo: Numa válvula de controlo ligada a um sistema DCS não é possível ter acesso aos parâmetros da válvula; apenas se pode enviar o sinal de controlo e ter acesso à posição, se esta estiver ligada ao sistema como sinal de entrada. Mesmo que a válvula seja inteligente, e o instrumentista possa aceder aos seus parâmetros através do “calibrador”, este terá de ser ligado, nessa altura, ao par de condutores que liga a válvula à carta electrónica de entrada/saída do sistema. Numa válvula ligada em rede a situação é diferente: é possível, através de qualquer consola de operação, visualizar ou modificar os parâmetros da válvula tais como o ganho, o tempo de integração e muitos outros.

Tipo de dispositivo

Tipo de controlo

Ao nível do bit

Ao nível dobyte

Ao nível do bloco

Controlo Lógico

Controlo de “loop”

Controlo Avançado

FIELDBUS Foundation Fielbus

Profibus ... DEVICEBUS

Device Net Profibus DP Interbus S

... SENSORBUS

Interbus Seriplex ASI ...



Fig. 5 – Visibilidade da instrumentação num sistema em rede

Os sistemas FCS podem ser totalmente configurados pelo utilizador, na instalação industrial, de acordo com a instalação a ser controlada. O utilizador não tem que saber linguagens de programação para operar o sistema, nem sequer para o configurar, uma vez que esta é feita utilizando um interface gráfico apropriado. Ao configurar convirá no entanto efectuar a distribuição de tarefas de um modo racional para não sobrecarregar a rede de campo, deixando para esta as funções críticas e deixando outras funções no servidor, como se recomenda no quadro seguinte:

Tarefas a executar nos dispositivos em rede Tarefas a executar no servidor

• Controlo a nível do campo • Programação Lógica • Sequências • Cálculos locais • Selecção de variáveis • Alarmes • Diagnósticos

• Imagens e Sinópticos • Supervisão e Optimização • Lotes e Receitas • Tendências • Alarmes • Relatórios • Controlo estatístico • Bases de dados • Inventário da Instrumentação

FCS

Visibilidade expandida Os instrumentos fazem parte do sistema: diagnósticos e informação.

DCS

Visibilidade limitada Não contém diagnósticos nem outra informação sobre os dispositivos de campo.



Neste trabalho não são abordadas tarefas executadas no servidor, uma vez que o objectivo consiste em estudar a interligação da aparelhagem em rede. Este estudo é feito nos capítulos que se seguem, para uma rede “Foundation Fieldbus”:

- Estudo sumário da arquitectura da rede e dos sinais, e dos blocos, em particular dos blocos de funções,

- Estudo de alguns instrumentos de medida com protocolo “Foundation Fieldbus”,

- Projecto de uma rede de instrumentação,

- Realização de um trabalho experimental com instrumentação em rede.

2. AS COMUNICAÇÕES

2.1. Introdução

Designa-se por “Foundation Fieldbus” um sistema de comunicações digital destinado a ser usado pela instrumentação de medida e controlo industriais a nível de campo. Neste sistema, a nível do campo a comunicação é série e bidireccional, a 31.25 kbit/s, e utiliza apenas um par de condutores entrançado, que simultaneamente serve para transportar a informação e efectuar a alimentação dos dispositivos a ele ligados.

O sistema foi desenvolvido por uma organização internacional, a “Foundation Fieldbus”, cujo objectivo tem sido criar um tipo de comunicação para este tipo de equipamento que seja simples, eficiente, único e inter-operável. O protocolo que se descreve aplica-se ao nível de base, ou seja, é o usado pelos instrumentos de campo, numa hierarquia de redes de equipamentos fabris.

A “Foundation Fieldbus”, criada em 1994 a partir da junção das organizações ISPF e WorldFIP North America, é uma organização com fins não lucrativos constituída por mais de 140 entidades, na sua maioria empresas. Estas representam os fornecedores de mais de 90 % da instrumentação de medida e controlo a nível mundial. O objectivo da “Foundation Fieldbus” surgiu das necessidades dos seus membros e tem sido a elaboração e o desenvolvimento de um protocolo de comunicação que satisfaça os seguintes requisitos:

• seja aberto ou interoperável, utilizável por qualquer dos seus aderentes, • seja simples e eficiente, • seja baseado no trabalho da CEI e da ISA, • seja único, no seu domínio de aplicação.

Como se pode depreender, os objectivos da organização não têm sido fáceis de alcançar, nomeadamente devido a:

• Dificuldades em definir um protocolo único que satisfaça todas as situações. Com efeito umas ligações pretendem-se rápidas e outras mais lentas, há equipamento que trabalha ao nível do bit e outro ao nível de blocos funcionais, há redes que devem possibilitar a alimentação dos instrumentos, noutras isto não é necessário, poderá haver necessidade de interligar um número grande de instrumentos ou não, ter garantia de funcionamento em tempo real ou não, poder ligar instrumentação intrinsecamente segura, etc.,

• Pressões introduzidas por alguns grupos económicos com o objectivo de controlar o mercado com os seus sistemas proprietários.


Página 10 Capítulo 2 – As Comunicações Março de 2004

Por estas razões não foi possível alcançar todos os objectivos a que a “Foundation Fieldbus” se propôs, nomeadamente no que respeita à unicidade do tipo de protocolo. Embora já largamente difundido, nomeadamente nos Estados Unidos, existe na Europa uma grande concorrência por parte do sistema com protocolo “Profibus”. Há actualmente dois tipos fundamentais de hierarquias “Foundation Fieldbus”:

H1 – Rede utilizada com a instrumentação de campo, em que esta é alimentada directamente a partir da rede, e destinada essencialmente a efectuar tarefas de controlo em tempo real. Nesta rede é essencial uma sincronização exacta dos sinais. Esta rede permite a utilização de instrumentação intrinsecamente segura. É uma rede a 31.25 kb/s.

HSE – É uma rede destinada a interligar redes e grupos de instrumentos. É bastante mais rápida que a anterior (100 Mbit/s), não fornece a alimentação aos equipamentos, e é compatível com o protocolo Ethernet.

Uma das grandes vantagens do protocolo “Foundation Fieldbus” sobre outros protocolos reside na sua interoperabilidade, ou seja, na possibilidade de substituir um determinado instrumento de um fabricante por um outro de outro fabricante, sem que haja necessidade de efectuar qualquer tipo de reconfiguração dos parâmetros do equipamento e mantendo todas as funcionalidades. A interoperabilidade permite que o utilizador da instrumentação escolha em cada momento o fornecedor que mais lhe convém, não ficando obrigado à utilização de uma determinada marca de equipamento.

O protocolo “Foundation Fieldbus” baseia-se no modelo OSI(1) da ISO(2). No entanto neste protocolo apenas existem 3 camadas: a camada física, a pilha de comunicação e a camada de aplicação, como se indica na secção seguinte.

Por ser do interesse deste trabalho analisar a rede que interliga a instrumentação de campo, analisar-se-á a rede H1, em particular no que respeita ao meio físico, aos blocos de funções da camada de aplicação, à instrumentação de medida e controlo e à configuração da mesma para as aplicações mais correntes.

2.2. Arquitectura da rede

A rede "Foundation Fieldbus" é uma rede local “LAN” específica para interligar instrumentação e dispositivos de controlo ao nível de campo numa instalação fabril. A rede é aberta, para que os dispositivos a ela ligados possam ser substituídos, se necessário, por dispositivos equivalentes de outro fabricante, sem que haja qualquer incompatibilidade ou perda de funcionalidade.

1 Open Systems Interconnection 2 International Organization for Standardization


Março de 2004 Capítulo 2 – As Comunicações Página 11

A arquitectura de rede é baseada no modelo de referência “Open System Interconnection”, OSI, estabelecido pela ISO e recomendado como uma arquitectura padrão para redes, o qual se utiliza hoje com grande aceitação. O modelo OSI estabelece, na ligação de um dispositivo a uma rede, um conjunto de 7 camadas hierarquizadas. Todos os dispositivos que possam ser ligados à rede têm camadas análogas. A informação circula dentro de cada dispositivo entre camadas hierarquicamente adjacentes, do nível mais alto para o mais baixo quando é enviada, do mais baixo para o mais alto quando é recebida. Esta comunicação entre camadas hierarquicamente adjacentes obedece a um conjunto de regras relativamente complexas, que não serão aqui apresentadas, por não serem do âmbito deste trabalho. Podem encontrar-se descrições deste modelo nas referências [41] e [42] da bibliografia.

No modelo OSI a camada de nível hierárquico mais baixo, designada por camada física, é a que se encontra fisicamente ligada à rede. O suporte físico da rede “Foundation Fieldbus é constituído por um par de condutores (de cobre) entrançados, com blindagem. É por este suporte que transitam os sinais físicos de comunicação (tensões e correntes eléctricas) entre os diversos dispositivos ligados à rede.

A camada imediatamente acima da camada física é designada por camada de enlace de dados “data link layer”, DLL. Esta camada controla o envio e a recepção de mensagens na rede. É nesta camada que são adicionados aos dados os indicadores de início e fim de mensagem e é nela que é feita a detecção e correcção de erros.

Na rede "fieldbus" não se utilizam as camadas 3, 4, 5 e 6 do modelo OSI. As camadas 2 e 7 estão agrupadas numa única, a pilha de comunicação, “communication stack”, que se encontra sub- -dividida em 3 sub-camadas. A rede "fieldbus" tem ainda uma camada que não existe no modelo OSI, a camada do utilizador, “user application”. Na Fig. 2.1 encontra-se esquematizada a arquitectura da rede "fieldbus" e a forma como fluem as mensagens na rede.

Fig. 2.1 – Arquitectura da rede "fieldbus" e fluxo de mensagens

Camada do utilizador

Pilha de comunicação

Camada física

↓↓↓

↑↑↑

Camada do utilizador

Pilha de comunicação

Camada física

↓↓↓

↑↑↑

↓ ↑ ↓ ↑←→

←→

←→

rede rede



2.3. O Meio Físico

2.3.1. Os condutores da rede

A camada física recebe a informação codificada da pilha de comunicação, convertendo-a em sinais físicos (tensões e correntes) que circulam através do meio físico de comunicação, e vice- -versa. O meio físico utilizado pelas redes "Foundation Fieldbus" encontra-se definido pela IEC e pela ISA. Para a rede H1 é o par entrançado convencional, que permite também alimentar com energia os dispositivos ligados à rede.

O par entrançado é constituído por dois condutores metálicos revestidos a PVC, normalmente ligas de cobre, com ou sem blindagem. O par de condutores comporta-se como uma linha de transmissão bifilar. O entrançado dos cabos é utilizado com vista a diminuir a interacção entre os condutores e a terra ou condutores vizinhos. O entrançado minimiza as interferências electromagnéticas uma vez que a posição relativa dos condutores vai variando.

Quando o par entrançado é blindado, a blindagem é feita correntemente com uma folha de mylar revestida de alumínio em contacto com um condutor auxiliar não protegido. Trata-se de uma blindagem electrostática. O condutor auxiliar deve ser ligado à terra apenas numa extremidade, nunca dois extremos do cabo, a fim de não provocar correntes de circulação indesejáveis, que introduzirão ruído nos condutores do par.

Na Europa as dimensões referem-se à secção de cada condutor em mm2, sendo correntes em instrumentação as seguintes medidas:

Secção (mm2) 0.28 0.5 0.75 1.0 1.5 2.5

Por vezes as secções dos cabos vêm indicadas na bitola Americana AWG(3), sendo utilizadas em redes de instrumentação as seguintes:

Bitola (AWG) 26 24 22 20 18 16 14 Diâmetro (mm) 0.404 0.511 0.643 0.813 1.02 1.29 1.63 Secção (mm2) 0.128 0.205 0.324 0.519 0.823 1.31 2.08

O par entrelaçado, como linha eléctrica, é caracterizado pelos seguintes parâmetros:

R – Resistência eléctrica por unidade de comprimento (Ω / km) L – Auto-indução por unidade de comprimento (mH / km) C – Capacidade por unidade de comprimento (µF / km)

Para a gama de frequências normalmente utilizadas pelos pares entrançados os valores da resistência e da capacidade são os mais significativos. O valor da resistência depende da secção do cabo, pelo que, para distâncias elevadas, deve ser utilizada uma secção maior do que para distâncias curtas.

3 American Wire Gauge



Por vezes na construção do cabo utilizam-se condutores de cobre com alma de aço, para que possa ser auto-suportado.

Na Fig. 2.2 indica-se, para um par entrançado AWG26, qual o comprimento máximo que este pode ter, em função da taxa de transmissão, se for utilizado numa rede de comunicações, para que não haja erros de transmissão.

102

103

104

105

10 6 10 1

10 2

10 3

10 4

10 5

10 6

Taxa de transmissão, bit/s

Dis

tânc

ia m

áxim

a, m

Fig. 2.2 – Comprimento admissível de um par blindado 2.3.2. Tensões e correntes

Nas redes “Foundation Fieldbus” o equipamento é alimentado pela própria rede, que está ligada a pelo menos uma fonte de alimentação. A tensão de alimentação é contínua e deverá estar compreendida entre 9 e 32 V. No que respeita aos sinais de informação, estes são transformados pela aparelhagem em variações de corrente na linha, respectivamente +10 mA para o valor +1 e –10 mA para o valor 0. Uma vez que a linha tem uma impedância de 50 Ω, estas variações de corrente originam variações na tensão com o valor de +0.5 V e de –0.5 V, respectivamente. Observa-se assim na rede, uma tensão contínua a que se sobrepõe um sinal com 1 V pico a pico.

2.3.3. Codificação dos sinais

Os sinais de comunicação, exclusivamente digitais, utilizam a banda base, isto é, não modulam nenhuma portadora. O espectro de um sinal em banda base estende-se desde a frequência zero



até uma frequência máxima, dependente da quantidade de informação que é necessário transportar por segundo, e do tipo de codificação do sinal.

A rede "Foundation Fieldbus" utiliza o código Manchester L-bifásico. Este código é do tipo retorno a zero, “return to zero”, RZ. Este tipo de código tem a vantagem de ter uma componente contínua independente da estatística dos bits, que pode ser eliminada ao serem associadas polaridades simétricas aos níveis do sinal (código L-). O espectro de potência deste sinal, não estando localizado junto da frequência zero, permite uma fácil recuperação do relógio. Nesta codificação, o valor lógico 1 é convertido numa transição 1→0 e o valor lógico 0 é convertido na transição 0→1. Como exemplo, ao gerar este código a sequência de dados

... 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 0 ...

é transformada em ... 01 10 01 10 01 10 10 01 01 10 01 ...

Na Fig. 2.3 encontra-se esquematizada esta codificação, juntamente com o sinal do relógio. O relógio tem uma frequência de 31.25 kHz. Repare-se que a cada bit de dados corresponde um par (0,1) do relógio; O sinal codificado por vezes tem impulsos com a duração igual à do relógio, portanto com metade da duração do impulso de dados mais curto. Isto significa que a codificação Manchester necessita de uma largura de banda superior à do sinal de dados.

O receptor interpreta uma transição positiva do sinal codificado que lhe chega, no meio de um bit do relógio, como sendo o valor lógico 0 e uma transição negativa como nível lógico 1.

Fig. 2.3 – Código Manchester L-bifásico

As sequências de dados têm associadas caracteres especiais: um preâmbulo, um sinal de início de comunicação e um sinal de fim de comunicação, que são adicionados aos dados, quando se trata de envio, na sub-camada DLL. O preâmbulo é constituído por uma sequência de zeros e uns, que por este motivo é codificada com a forma do sinal do relógio. O código Manchester envia pois o sinal do relógio, antes de enviar os dados. Este sinal é utilizado pelos dispositivos da rede para sincronizar os seus relógios internos.

0 1 0 1 0 1 1 0 0 1

Dados

Relógio 31.25 kHz

Dados codificados



2.4. Pilha de Comunicação

A pilha de comunicação efectua a interligação entre a camada do utilizador e a camada física. Esta camada encontra-se dividida em 3 sub-camadas: sub-camada de ligação ou enlace de dados, sub-camada de acesso à rede e sub-camada de especificação de mensagens.

2.4.1. Camada de enlace de dados

A sub-camada de enlace de dados (“data link layer”) DLL, controla a transmissão de mensagens para a rede. Utiliza um controlador de rede programado (no tempo), determinístico, designado por “link active scheduler”, LAS.

As especificações do DLL incluiem dois tipos de dispositivos: “basic device” e “link master”. Os dispositivos “link master” têm a possibilidade de ser LAS, enquanto os “basic devices” não têm esta possibilidade.

2.4.1.1. Comunicações programadas

O LAS dispõe de uma lista de tempos para os quais os dados dos diversos dispositivos da rede devem ser transmitidos periodicamente. Sempre que chega a altura de um dispositivo enviar dados, o LAS envia uma mensagem, designada por CD (“compel data”). Assim que recebe esta mensagem, o respectivo dispositivo publica os dados para todos os dispositivos da rede. Os dispositivos configurados para receber os dados são chamados subscritores ou assinantes.

Na Fig. 2.4 representa-se de um modo esquemático este tipo de transferência de dados. Este modo de comunicar é utilizado na transferência regular de dados de controlo entre dispositivos de uma rede.

Fig. 2.4 – Transferência de dados tabelada

Tabela de mensagens:

LAS

a b c ...

→ Rede fieldbus

Dados a Dados a Dados a

Subscritor Subscritor Publicante

CD(a)



2.4.1.2. Comunicações não programadas

Além das comunicações programadas, é dada aos dispositivos de uma rede fieldbus a oportunidade de enviar mensagens não programadas. Estas são enviadas nos intervalos entre as mensagens programadas.

O LAS concede autorização a um dispositivo para utilizar a rede fornecendo-lhe um testemunho de passagem (“pass token”, PT). Quando o dispositivo recebe o testemunho fica autorizado a enviar mensagens. Estas terminam, ou se não houver mais mensagens para enviar ou se se esgotar o tempo limite permitido pelo PT (“maximum token hold time”).

2.4.1.3. Algoritmo do LAS

O LAS tem programada uma lista de tarefas que devem ser executadas periodicamente. Sempre que é altura de um dispositivo executar uma dessas tarefas o LAS envia uma mensagem a forçar dados (“compel data”) CD, para esse dispositivo, que imediatamente publica ou difunde a mensagem que tiver para difundir. Este conjunto de operações é o que tem a prioridade mais elevada na actividade do LAS. As restantes operações são efectuadas entre as actividades programadas.

A lista dos dispositivos que respondem ao testemunho é designada por lista activa (“live list”).

Uma vez que a uma rede podem ser adicionados novos dispositivos em qualquer altura, é importante que a lista activa seja periodicamente actualizada. Para este efeito o LAS envia periodicamente uma mensagem de teste de nó, (”probe node”) PN, aos endereços que não se encontram na lista activa. Se um dispositivo se encontrar presente, ao receber a mensagem PN devolve uma mensagem de resposta ao teste, (“probe response”) PR. Então o LAS junta o dispositivo à lista activa e confirma a adição reenviando ao dispositivo uma mensagem de activação de nó (“node activation”) NA.

O LAS testa pelo menos um endereço sempre que completa um ciclo de envio de PT aos dispositivos da lista activa. Um dispositivo permanece na lista activa enquanto responder correctamente aos PT enviados pelo LAS. Se o dispositivo não responder a 3 interrogações consecutivas feitas pelo LAS, então este retira-o da lista activa. Sempre que um dispositivo é adicionado ou retirado da lista activa, o LAS difunde a alteração a todos os dispositivos da rede, possibilitando assim que cada dispositivo mantenha uma cópia actualizada da lista activa.

Na Fig. 2.5 encontra-se esquematizado, sob a forma de “flow-chart”, o algoritmo do programador de comunicações activas.

Periodicamente o LAS difunde uma mensagem com a distribuição do tempo (“time distribution”) TD, destinada a efectuar a sincronização dos relógios dos diversos dispositivos que se encontram ligados na rede.



O facto do controlo do acesso à rede ser efectuado pelo LAS coloca a questão de saber o que acontece se o dispositivo que contém o LAS falhar. Para que a rede continue operativa é necessário que, sempre que tal aconteça, haja outros dispositivos que possam retomar o serviço do LAS anterior. O DLL inclui dois tipos de dispositivos: “basic device” e “link master”. Todos os dispositivos “link master” têm a possibilidade de assumir as funções de LAS. Uma rede “fieldbus” pode conter vários dispositivos declarados como “link master”. Deste modo existe redundância para o LAS.

Fig. 2.5 – Algoritmo do programador de comunicações

2.4.2. Sub-Camada de acesso à rede

A sub-camada de acesso à rede (“fieldbus access sublayer”) FAS, fornece serviços à sub-camada de especificação de mensagens. Os tipos de serviços, são descritos como relações virtuais de comunicações, (“virtual communications relationships”), VCR, e são os seguintes:

Cliente/servidor – Este serviço é usado para mensagens não programadas (“unscheduled”) iniciadas pelo utilizador que vão para a fila de espera, se iniciam num dispositivo e se destinam apenas a outro dispositivo. São exemplos destas mensagens as mudanças de “set- -point”, do modo de operação (ex. manual → automático), mudanças nos parâmetros dos controladores, “uploads” e “downloads”, gestão dos alarmes, acesso às imagens de visualização do processo, diagnósticos remotos, etc.

Distribuição de informação – Este serviço é usado para mensagens do seguinte tipo: não programadas, que vão para a fila de espera, que se iniciam num dispositivo e se destinam a vários dispositivos. É um serviço usado para notificar eventos, registos de tendências, alarmes do processo, histogramas, registos históricos, etc.

Não

É altura

de efectuar algo antes do envio do

próximo CD?

Esperar até ser altura de enviar o próximo CD (entretanto enviar mensagens “iddle”)

Enviar mensagem

de CD

Enviar mensagens de PN, TD ou PT

Sim



Publicante/assinante – Este serviço é usado para mensagens, programadas ou não, que vão para um “buffer”, se iniciam num dispositivo e se destinam a vários dispositivos. São exemplos deste serviço o envio de valores das variáveis do processo, “process values”, PV para os PID e outros algoritmos que se sirvam deles, e também para as consolas de operação.

2.4.3. Sub-Camada de especificação de mensagens

A sub-camada de especificação de mensagens (“fieldbus message specification”) FMS, permite que os dispositivos ligados à rede enviem mensagens uns aos outros utilizando um conjunto de formatos de mensagens padrão. O FMS descreve os serviços de comunicação, os formatos das mensagens e o protocolo necessários para construir mensagens de e para a camada de aplicação.

Os dados são transmitidos pela rede através de uma descrição de objecto (“object description”). As descrições de objecto estão reunidas numa estrutura chamada dicionário de objectos (“ object dictionary”) OD. Na Fig. 2.6 representa-se esquematicamente um OD.

Índice 0 Cabeçalho Índice 1 Descrição de objecto 1 Índice 2 Descrição de objecto 2 ... ... ... Índice n Descrição de objecto n

Fig. 2.6 – Esquema do dicionário de objectos

O índice 0, designado por cabeçalho, faz uma descrição do próprio dicionário e define o primeiro índice das descrições de objecto da camada de aplicação. Esta deverá começar acima de 255. Os índices 255 e abaixo definem tipos de dados padrão, tais como dados lógicos, dados inteiros, dados em vírgula flutuante e outras estruturas usadas para construir descrições de objectos.

2.4.3.1. Dispositivos de campo virtuais

Os dispositivos de campo virtuais (“virtual field devices”) VFD são utilizados para ver, remotamente, os dados locais descritos pelo dicionário de objectos. Um dispositivo típico tem pelo menos dois VFD.

A gestão da rede é parte da aplicação “Network and System Management Application”. Esta é responsável pela configuração da pilha de comunicação. O VFD usado para a gestão da rede (“network management”) é também usado para a gestão do sistema (“system management”).



Este VFD fornece o acesso ao “network management information base”, NMIB e também ao “system management information base”, SMIB. Os dados NMIB incluem a programação das relações de comunicação virtuais (“virtual communication relationships”) VCR, das variáveis dinâmicas, da estatística e do LAS, neste último caso se o dispositivo for do tipo “link master”.

Os dados SMIB incluem os “tags” dos dispositivos, informações sobre os endereços a a programação no tempo dos blocos de funções.

2.4.3.2. Serviços de comunicação

Os serviços de especificação de mensagens, FMS, constituem uma forma padronizada das aplicações do utilizador, tais como os blocos de funções e comunicar dentro da rede. Há serviços específicos definidos para cada tipo de objecto. Os serviços FMS só podem usar o VCR cliente/servidor. Nestes serviços são de salientar os seguintes:

• serviços para estabelecer e terminar comunicações virtuais, • para permitir ao utilizador o acesso ao dicionário, para aceder e modificar as descrições

de objectos, • serviços para ler e escrever variáveis associadas à descrição de objectos, • para reportar e manipular o processamento de eventos, • para efectuar “downloads” e “uploads” de programas e de dados na rede fieldbus e • serviços para invocar a execução de programas.

2.4.3.3. Formato das mensagens

O formato das mensagens FMS é definido por uma linguagem de descrição de sintaxe chamada “Abstract Syntax Notation”, ASN.1. Esta linguagem foi desenvolvida pelo CCITT(4) como parte da actividade de normalização do e-mail.

2.4.3.4. Protocolo

Alguns tipos de objectos têm regras especiais de comportamento, descritas na especificação FMS. Um dispositivo remoto pode controlar o estado de um programa de outro dispositivo na rede Fieldbus. Por exemplo, o dispositivo remoto pode usar o “create program invocation” do serviço FMS para mudar o estado de “não-existente” para “inactivo”.

4 Committé Consultivo Internacional de Telefones e Telégrafos



2.5. Camada do Utilizador. Blocos

2.5.1. Introdução

Os blocos fazem parte da camada do utilizador, extensão um nível acima da camada de aplicação na arquitectura de comunicação OSI.

Os blocos são módulos de software, constituintes da camada do utilizador, que determinam o seu modo de funcionamento de acordo com os padrões desejados, nomeadamente a definição dos recursos de hardware, a calibração a execução de tarefas, integradores, controladores, comunicações entre blocos e a rede ou outro tipo de redes e cálculos diversos.

Os blocos estão disponíveis numa biblioteca de blocos, existente no software de configuração, no PC. Depois de seleccionados e configurados pelo utilizador, devem ser descarregados (“downloaded”) para os instrumentos, onde ficam a residir em memória não volátil.

No “Foundation Fieldbus” há três tipos de blocos: os blocos de recursos, os blocos transdutores e os blocos de funções. Para que possa funcionar correctamente, um instrumento deverá conter um bloco de recursos, um ou vários blocos transdutores e pelo menos um bloco de funções, todos convenientemente configurados.

Fig. 2.7 – Tipos de blocos no "Foundation Fieldbus"

Na Fig. 2.7 representa-se de uma forma esquemática, com o auxílio de um instrumento de medida (termopar) e um dispositivo de saída (válvula de controlo), a localização de cada um destes blocos no instrumento, bem como o seu tipo de funcionalidade.

O termopar está associado a um transmissor de temperatura, designado na figura por “dispositivo 1, que converte a sua tensão de saída num sinal eléctrico com o protocolo “Foundation Fieldbus”.

posição válvula

tempe-ratura

recursos recursos

funções (AI)

funções(PID)

funções(AO)

termopar

válvula de

controlo

bloco transdutor

bloco transdutor

rede FF

dispositivo 1

dispositivo 2



Para que tal conversão seja possível, o transmissor de temperatura deverá ter associado no software um dispositivo (“device”) do mesmo tipo, que como se verá adiante é o TT302. Este dispositivo deverá incluir um bloco transdutor de entrada e um bloco de funções, no exemplo da figura um bloco AI (“analog input”).

O bloco transdutor de entrada só por si não pode colocar a variável medida na rede; serve de separador entre o transdutor e a rede, podendo as leituras do transdutor ser efectuadas a um ritmo diferente daquele a que os sinais são enviados para a rede. O bloco transdutor permite efectuar a calibração do sensor a que está ligado. O seu valor, já em unidades de engenharia (neste caso ºC ou então K), é transferido para o bloco de funções AI, que de pois de processar o valor o disponibiliza na rede, para a utilização que for conveniente. O bloco de recursos gere a operação de todos os restantes blocos do dispositivo.

De um modo análogo, para a válvula de controlo deverá existir associado um dispositivo, que como se verá é o FY302. Este dispositivo deverá conter um bloco transdutor de saída, um bloco de recursos e um bloco de saída analógica.

Os blocos são configuráveis por software, por meio de parâmetros numéricos alfanuméricos ou lógicos. Muitos dos parâmetros vêm introduzidos ou configurados de origem, como por exemplo os respeitantes à calibração; nestes só há necessidade de introduzir nova configuração se as circunstâncias assim o exigirem. Outros parâmetros têm que ser introduzidos pelo operador, normalmente antes do início do funcionamento, como por exemplo os ganhos do controlador PID. O valor de alguns parâmetros depende de determinados eventos ou varia com o decorrer do tempo: como exemplo de um evento tem-se o pedido do operador da passagem de uma cadeia de controlo a automático, do que resulta em o PID respectivo mudar de estado, de manual para automático e a saída analógica associada também mudar, de automático para cascata; neste modo o “set point” do bloco saída analógica irá variando com o tempo, sendo calculado pelo controlador PID a ele associado. Há ainda alguns parâmetros que apenas contêm informação, não podendo ser modificados (tipo “read only”). Também existem parâmetros sem funções atribuídas (vagos), sendo parte destes destinados a extensões futuras.

2.5.2. Bloco de recursos

O bloco de recursos contém dados específicos do instrumento a que se encontra associado. Detecta ainda a configuração dos “jumpers” existentes nos instrumentos e pode autorizar a propagação de uma situação de avaria entre os diversos blocos de um instrumento.

A configuração deste bloco, por parte do utilizador, está reduzida ao mínimo. Apenas é necessário configurar o parâmetro MODE_BLK colocando-o em “auto”, para permitir que o bloco seja executado. A outra opção para este parâmetro é OOS (“out of service”). Se o bloco de recursos não for colocado em “auto” o bloco não corre, não permitindo o funcionamento dos restantes blocos que estão incluídos no dispositivo.



2.5.3. Blocos transdutores

Há vários tipos de blocos transdutores: de entrada, de saída, de diagnóstico e de visualização.

2.5.3.1. Bloco transdutor de entrada

Os blocos transdutores de entrada efectuam a ligação entre o instrumento de medida e os restantes blocos. Cada um dos blocos transdutores de entrada é específico do sensor ao qual se encontra associado, pelo que as descrições dos blocos transdutores de entrada se encontram incluídas na descrição dos respectivos dispositivos e instrumentos, no capítulo seguinte.

2.5.3.2. Bloco transdutor de saída

Os blocos transdutores de saída efectuam a ligação entre os diversos blocos de funções e um actuador, normalmente ligado a uma válvula de controlo. Como para o caso anterior, cada um dos blocos transdutores de saída é específico do sensor ao qual se encontra associado, pelo que as respectivas descrições se encontram incluídas na apresentação dos respectivos instrumentos, no capítulo seguinte.

2.5.3.3. Bloco transdutor de diagnósticos

O bloco transdutor de diagnósticos permite uma monitorização em linha dos tempos de execução dos diversos blocos e dos “links” entre blocos. Podem também fornecer outras indicações de menor interesse de identificação do HH e SW. O parâmetro MODE_BLK deverá estar em “auto”, para que o bloco seja executado. O nome do bloco a monitorizar deverá ser especificado no parâmetro EXE_TIME_BLK.

2.5.3.4. Bloco transdutor de visualização

Este bloco apenas pode ser utilizado em instrumentos que disponham de indicador local. O bloco permite configurar o indicador de modo a apresentar no visualizador de cristais líquidos até um número máximo de sete parâmetros. Cada parâmetro pode ser apresentado em duas linhas: numa indica-se o seu valor e na outra a mnemónica que permite a sua identificação. Os parâmetros são apresentados em sequência. Exemplifica-se a seguir o modo de configurar o indicador local para apresentar apenas um valor, neste caso o valor do processo, PV, que é tomado do bloco “analog input” com o nome “PI01_AI”.

MODE_BLK – target: auto. Desta forma o bloco passa os valores para o indicador LCD. A outra opção seria OOS (out of service).

BLOCK_TAG_PARAM – PI01_AI. Nome do bloco onde está o parâmetro ou valor.

INDEX_RELATIVE – 6. É o número ou índice do parâmetro a colocar no visualizador.

SUB_INDEX – 2. O parâmetro é por vezes identificado por um sub-índice adicional.



MNEMONIC – VALOR. É o texto que se pretende ter no visualizador para identificar o parâmetro.

INC_DEC – 0.01. Valor do incremento ou decremento, na visualização do parâmetro.

DECIMAL_POINT_NUMBER – 2. Número de decimais com que se pretende mostrar o parâmetro.

ACCESS – monitoring. Indica que se trata de um parâmetro que apenas pode ser lido.

ALPHA_NUM – mnemonic. Indica-se assim que se está a apresentar um valor numérico e também o texto escrito como mnemónica.

DISPLAY_REFRESH – Update. Desta forma as indicações no visualizador são actualizadas.

2.5.4. Blocos de funções

Há uma grande variedade de blocos de funções, nomeadamente:

• entrada analógica e entrada analógica múltipla, • entrada discreta e entrada discreta múltipla, • entrada de impulsos, • controlador PID e controlador PID avançado, • aritmética, • separador de saídas, • caracterizador de sinal, • integrador, • alarmes analógicos, • selector de entradas, • gerador de rampa, • lógica e temporizadores, • atraso-avanço, • limitador dinâmico da saída, • cálculo de densidade, • detecção de bordo e “flip-flops” • ligação ao “modbus” • saída analógica e saída analógica múltipla.

Descrevem-se a seguir alguns dos blocos de funções correntemente utilizados e indica-se a sua parametrização. Alguns dos parâmetros são constituídos por um grupo de sub-parâmetros. Apenas se refere a parametrização necessária na pratica para configurar os blocos. No caso do utilizador não indicar o valor de um parâmetro, este fica com o valor que o software lhe atribui por defeito.



2.5.4.1. Bloco de entrada analógica

O bloco de entrada analógica obtém os dados através do bloco transdutor a que se encontra ligado, ligação especificada pelo parâmetro CHANNEL, e disponibiliza-os, na sua saída, para outros blocos de funções. O seu esquema de princípio encontra-se indicado na figura Fig. 2.8.

Fig. 2.8 – Representação gráfica do bloco “Analog Input”

A parametrização deste bloco torna-se clara a partir da observação do seu diagrama. CHANNEL – Indica o número do transdutor onde o bloco deve ir obter o valor.

L_TYPE – Permite seleccionar o modo como o valor de entrada é processado:

DIRECT – directo, se não estiver sujeito a qualquer calibração,

INDIRECT – indirecto se a calibração for linear,

IND_SQRT – indirecto-raíz quadrada, se no processo de calibração for extraída a raiz quadrada ao “field_value” antes de aplicar a escala à saída.

XD_SCALE – Estes parâmetros são aplicados ao valor proveniente do canal de entrada produzindo um “field_value”, em percentagem. Se os seus valores não forem correctos é originado um alarme de erro de configuração.

BLK_MODE – deverá escolher-se a opção “auto”, para que o “PV” seja transferido para a saída. As restantes opções são “manual” e “OOS”

SIMULATE XD_SCALE OUT_SCALE

OUT_SCALE

PV_TIME LOW_CUT

ALARMS

CHANNEL

L_TYPE

IO_OPTS

DIRECT INDIRECT

IND_SQRT PV

FIELD_VAL

AUTO

MANUAL

OUT



LOW_CUT – Este parâmetro destina-se a eliminar ruído, próximo de zero, muito corrente em caudalímetros.

PV_TIME – Constante de tempo do filtro exponencial aplicado ao sinal PV, antes de o colocar na saída. O valor 0 indica que não há filtragem.

2.5.4.2. Bloco de entrada discreta

O bloco de entrada discreta recebe a informação lógica proveniente do transdutor associado a um dispositivo de entrada discreto e disponibiliza-a na rede.

Fig. 2.9 – Representação gráfica do bloco “Discrete Input” É a seguinte a configuração mínima para o bloco:

CHANNEL – Indica o número do transdutor onde o bloco deve ir buscar o valor.

MODE_BLK – deverá escolher-se a opção “auto”, para que o “PV” seja transferido para a saída. As restantes opções são “manual” e “OOS”

PV_TIME – Tempo durante o qual o “FIELD_VAL_D” deve permanecer num determinado estado lógico antes de ser passado ao “PV_D”.

OUT_D – Valor calculado por “OUTPUT” e saída do bloco.

SIMULATE_D – Quando este parâmetro é activado, é possível fornecer ao bloco, manualmente, o valor da entrada.

SIMULATE_D

OUTPUT

ALARMS DISC

CHANNEL

PV_D

FIELD_VAL_D OUT_D

MODE_BLK

OPTIONAL INVERT

FILTER PV_TIME



2.5.4.3. Bloco Integrador

O bloco integrador, representado na Fig. 2.10, dispõe basicamente de duas entradas, referidas como “IN_1” e “IN_2”. Estas entradas aceitam quer sinais analógicos quer impulsos, devendo ser configuradas para tal através do parâmetro “INTEG_OPTS” associado à entrada. Há outras entradas: “REV_FLOW1” e “REV_FLOW2” usadas para inverter o sentido da contagem, e “RESET_IN”, utilizada para reiniciar as operações. A soma efectuada pelo bloco pode ser incremental ou decremental, entre limites pré-definidos.

A integração efectuada por este bloco faz-se ao longo do tempo. Uma vez que na prática o bloco é utilizado para integrar caudais, produções horárias e outras variáveis que têm associadas um valor do tempo (ex. litros/segundo, toneladas/hora, etc.), é essencial que os parâmetros de configuração das unidades de tempo de integração sejam correctamente atribuídos.

Fig. 2.10 – Representação gráfica do bloco “Integrador”

Considere-se o exemplo de um tanque que recebe uma entrada de água e outra de pasta de papel. O caudal de água é lido por um caudalímetro, calibrado em quilograma/segundo, sendo esta leitura disponibilizada no canal “IN_1” do integrador. A quantidade de pasta de papel é lida por meio de um contador de impulsos, calibrado em quilograma/impulso, estando este valor disponibilizado na entrada “IN_2” do integrador. Se for pretendido o valor acumulado no tanque expresso em quilograma, deverá efectuar-se a seguinte parametrização:



INTEG_OPTS – INPUT_TYPE_1 – true (para indicar que acumula um valor analógico) INPUT_TYPE_2 – false (para indicar que se trata de um contador)

TIME_UNIT_1 – sec (segundos, porque o sinal está em quilograma/segundo)

PULSE_VAL_2 – xxx (valor numérico, indicando que um impulso representa xxx quilograma)

UNIT_CONV – factor utilizado para converter as unidades do 2º canal em unidades do primeiro, antes de efectuar a soma. No caso deste exemplo uma vez que este factor deverá ter o valor 1, não é necessário configurá-lo, porque o valor por defeito é 1. Não é possível converter as unidades do 1º canal.

No caso de não haver entrada atribuída a um determinado canal, o estado dessa entrada deverá ser colocado em “uncertain”, a fim do bloco integrador não considerar a leitura incorrecta. Há ainda outros parâmetros importantes para a configuração do integrador:

OUT_UNITS – unidades em que se pretende representar o valor de saída.

OP_CMD – permite efectuar o “reset” do integrador, através de um comando do operador.

INTEG_TYPE – parâmetro que permite definir o tipo de integração a efectuar:

UP_AUTO – Contagem incremental, a partir de zero, com “reset” automático quando se atinge o valor SP (também este é parâmetro)

UP_DEM – Contagem incremental, a partir de zero, com “reset” a pedido DN_AUTO – Contagem decremental, a partir de SP, com “reset” automático

quando se atinge o valor zero UP_DEM – Contagem decremental, a partir de SP, com “reset” a pedido PERIODIC – Contagem incremental com “reset” periódico, estabelecido pelo

parâmetro CLOCK_PER DEMAND – Contagem incremental com “reset” a pedido

O bloco integrador dispõe das seguintes saídas:

OUT– resultado final da integração.

N_RESET – Contagem do número de “resets”

OUT_TRIP – Saída discreta que toma o valor lógico 1 quando numa contagem incremental o valor atinge SP

OUT_PTRIP – Saída discreta que toma o valor lógico 1 quando numa contagem decremental o valor atinge o parâmetro PRE_TRIP



2.5.4.4. Bloco de aritmética

O bloco de aritmética, ARTH, destina-se a processar uma combinação de vários sinais de entrada, normalmente provenientes de sensores. O bloco dispõe de 5 entradas, designadas por “IN”, “IN_LO”, “IN_1”, “IN_2” e “IN_3”, e de uma saída, “OUT”. A representação esquemática deste bloco encontra-se na Fig. 2.11.

Fig. 2.11 – Representação gráfica do bloco “Aritmética”

Os sinais ligados às entradas “IN” e “IN_LO” originam uma variável interna “PV”, calculada de acordo com o seguinte algoritmo:

(1 ) _PV g IN g IN LO= × + − ×

em que o parâmetro g tem o seguinte valor: se IN<RANGE_LO ou IN_LO<RANGE_HI então g = 0,

se IN>RANGE_HI ou IN>RANGE_LO então g = 1,

se RANGE_LO<IN<RANGE_HI então __ _

IN RANGE LOgRANGE HI RANGE LO

−=

−.

Os parâmetros RANGE_LO e RANGE_HI, internos, são atribuídos pelo utilizador. No caso de atribuir a cada um destes parâmetros o valor –INF a variável PV será uma réplica da entrada IN.

T1

T2

T3



Os sinais ligados às entradas “IN_1” a “IN_3” originam 3 variáveis internas Ti (i=1,2,3), calculadas do modo seguinte:

( _ _ _ ) _ _iT IN i BIAS IN i GAIN IN i= + × , (i=1,2,3)

em que os seis parâmetros BIAS_IN_i e GAIN_IN_i, internos, são configurados pelo utilizador. O tipo de cálculo efectuado pelo bloco é definido configurando o parâmetro ARITH_TYPE, de acordo com a seguinte tabela: ARITH_TYPE EQUAÇÃO EXEMPLO DE APLICAÇÃO

1 OUT PV f GAIN BIAS= × × +

em que 1 2/f T T= é limitado Compensação do cálculo do caudal de um gás em transmissores lineares


em que 1

2 3

TfT T

=×

é limitado

Compensação do cálculo do caudal de um gás em transmissores quadráticos


em que 21 2 3f T T T= × × é limitado


em que 1 2f T T= − é limitado Cálculo do caudal de calor


em que 1 2 3/f T T T= + é limitado

6 1 2 3PV T T TOUT GAIN BIASf

+ + += × +

em que f é o nº de entradas usadas no cálculo

Cálculo da média de até 4 sinais de entrada

7 1 2 3( )OUT PV T T T GAIN BIAS= + + + × + Cálculo da soma de até 4 sinais de

entrada

8 2 3 41 2 3( )OUT PV T T T GAIN BIAS= + + + × + Polinómio de 4ª ordem

9 1

2

PV TOUT GAIN BIASPV T

−= × +

−

Na configuração deste algoritmo são também importantes os seguintes parâmetros:

MODE_BLK – que pode ser configurado para O/S, MAN ou AUTO, COMP_HI_LIM – limite superior para a variável PV, COMP_LO_LIM – limite inferior para a variável PV, OUT_HI_LIM – limite superior para a variável OUT, OUT_LO_LIM – limite inferior para a variável OUT.



2.5.4.5. Bloco funcional controlador PID

O bloco funcional PID é um controlador proporcional, integral e derivativo. O bloco efectua os cálculos usando o seguinte algoritmo, definido pela ISA (Instruments Society of America):

1( ) /1

dp

i d

T sPO K E E PV BiasA M FFT s T s

= + + + ++ α

(2.1)

em que os símbolos têm o seguinte significado:

PV – Valor do processo, variável controlada, E – Erro, diferença entre a referência e o valor do processo, PO – Saída do controlador, FF – Acção directa, Bias_A/M – Parâmetro usado na transição Manual/Automático, Kp – Ganho proporcional, Ti – Tempo de integração, Td – Tempo derivativo, α – Parâmetro de ajuste do termo derivativo. Valor corrente α=0.15, s – Variável complexa de Laplace.

Repare-se que no algoritmo deste controlador há as seguintes particularidades:

• O ganho proporcional é aplicado aos 3 termos, proporcional, integral e derivativo, • O termo derivativo é calculado com o valor do processo e não com o erro, a fim de

evitar que o controlador faça intervir a acção derivativa quando o operador mudar a referência.

O controlador pode ainda ser de acção directa ou inversa. Representando o objectivo por SP, será

E = SP – PV, se o controlador for de acção directa, E = PV – SP, se o controlador for de acção inversa.

Na Fig. 2.12 encontra-se representado o esquema do bloco funcional PID. O seu esquema é mais geral do que o indicado na equação (2.1). Esta constitui apenas o sub-bloco “PID+FF”.

Este bloco funcional admite vários modos de funcionamento, definidos através do parâmetro MODE_BLK:

O/S – “Out of service”. Neste modo o controlador encontra-se desactivado, não produzindo qualquer sinal de saída.

Man – Manual. O controlador encontra-se parcialmente inactivo. No entanto o “set-point” pode ser transferido para a saída se o parâmetro BYPASS estiver activado.

Auto – Automático. O controlador encontra-se activo. O “set-point” é introduzido pelo operador.

Casc – Cascata. O controlador encontra-se activo mas o seu “set-point” deverá ser fornecido através de outro bloco funcional, não podendo ser modificado pelo operador.



Fig. 2.12 – Esquema do bloco funcional PID Na figura repare-se ainda nos seguintes parâmetros: CAS_IN – É o ponto de entrada do “set-point” quando o controlador se encontra em modo

cascata. Este “set-point” remoto é enquadrado entre um limite inferior e outro superior e o seu valor é feito variar em rampa, de modo a evitar possíveis variações rápidas indesejadas.

IN – É o ponto de entrada do “process value”. Este valor é fornecido ao controlador através de outro bloco funcional, em grande parte dos casos através de um bloco de entrada analógica. Esta entrada é filtrada por meio de um filtro exponencial com a constante de tempo PV_FTIME.

FF_VAL – É o ponto de entrada do sinal de acção directa. Este sinal é posicionado em relação a uma escala de entrada e multiplicado por um ganho antes de ser adicionado à saída do controlador.

OUT – É o sinal de saída do controlador. Se este se encontrar em Auto ou em Casc, o sinal de saída é obtido por meio da expressão (2.1). Repare-se que a saída do controlador é também posicionada em relação a uma escala, após o que é comparada com dois limites, um inferior e outro superior.

BKCAL_OUT – É um sinal de saída adicional, que poderá ser igual ao SP ou ao PV, consoante o valor do parâmetro CONTROL_OPTS.

TRK_VAL – Este sinal de entrada é transferido para a saída quando o controlador se encontra em modo Manual e a entrada discreta TRK_IN_D se encontra a 1.

SP SELECTOR

SP LIMITS

PV_TIME

FF_SCALEFF_GAIN

OUT LIMITS

TRK_SCALE ↓

OUT_SCALE

PID +

FF

OUT SELECTOR

OUT_SCALE

ROUT_OUT

ROUT_IN

OUT

BKCAL_OUT SP

PV

CONTROL_OPTS

OPERATOR ENTRY

RCAS_OUT

SP

PV IN

CAS_IN

TRK_VAL

FF_VAL

TRK_IN_D

BKCAL_IN



BKCAL_IN – Valor usado para inicializar o controlador (opcional).

Bias_A/M – Valor usado em conjunto com FF_VAL. Se o estado da variável FF_VAL se tornar mau o controlador passa a utilizar o último valor bom. Quando o estado de FF_VAL passar a aceitável o controlador passa a usar o novo valor e nesta transição atribui ao parâmetro Bias_A/M o valor da diferença entre o último e o novo valor de FF_VAL. Desta maneira garante-se que não há perturbação na saída do controlador.

2.5.4.6. Bloco de alarmes analógicos

Fig. 2.13 – Esquema do Bloco de alarmes analógicos

O bloco de alarmes analógicos fornece as condições de alarme de uma variável analógica fornecida pela saída analógica de qualquer bloco que disponha de tal saída. O bloco admite duas entradas: na entrada “IN” entra a variável para a qual se pretende calcular a situação de alarme e à entrada “PSP” é ligado o valor de referência do processo, referência para o cálculo do alarme. Os limites para alarme são calculados dinamicamente de acordo com as equações

_ _ _ _ _ _ _HI HI LIMX PSP HI HI GAIN HI HI BIAS EXPAND UP= × + + _ _ _ _HI LIMX PSP HI GAIN HI BIAS EXPAND UP= × + + _ _ _ _LO LIMX PSP LO GAIN LO BIAS EXPAND DN= × + + _ _ _ _ _ _ _LO LO LIMX PSP LO LO GAIN LO LO BIAS EXPAND DN= × + +



O sufixo X nas variáveis indica que se trata de valores calculados. Os cálculos permitem ampliar os limites após uma variação da referência no processo. Isto permite respostas amortecidas e com sobre-elevação sem que sejam activados os alarmes. Na Fig. 2.14 encontra-se uma representação gráfica do modo como os limites poderão variar dinamicamente se houver uma variação no “set-point” do processo. Note-se que no exemplo indicado na figura os limites não chegam a ser violados.

Fig. 2.14 – Limites dinâmicos e processo

Para originar os alarmes o bloco deverá funcionar em modo automático. O bloco tem duas saídas: “OUT”, que é resultante da entrada “IN” filtrada, e “OUT_ALM”, saída discreta que indica a situação de alarme. O valor desta saída é colocado a 1 ou 0 de acordo com o exposto na Fig. 2.14 e com o valor atribuído ao parâmetro “OUT_ALM_SUM”. Este permite escolher quais os alarmes a utilizar conforme a tabela abaixo. Por exemplo, se lhe for atribuído o valor ”LOWs”, para a geração do alarme apenas serão usados os limites LO_LO_ALM e LO_ALM. OUT_ALM_SUM LO_LO_ALM LO_ALM HI_ALM HI_HI_ALM ANY V V V V LOWs V V HIGHs V V LEVEL1 V V LEVEL2 V V LO_LO V LO V HI V HI_HI V NONE

Tempo

HI_HI_LIMX

HI_LIMX

LO_LO_LIMXLO_LIMX

ALM_RATE_DN

ALM_RATE_UP

PSP

PV

PSP



2.5.4.7. Bloco tabela de valores

Fig. 2.15 – Esquema do bloco “look-up table” Este bloco tem uma função de transferência, estática, definida pelo utilizador por meio de uma tabela. A tabela contém até 20 pares de pontos [xi, yi], i=1, 2, ... 20. Uma realização desta tabela encontra-se representada graficamente na figura. O bloco dispõe de duas entradas e de duas saídas. A saída OUT_1 corresponde à entrada IN_1 e a saída OUT_” à entrada IN_2, sendo os cálculos efectuados utilizando a mesma e única tabela deste bloco. Qualquer das saídas é calculada efectuando a interpolação da respectiva entrada entre os valores da tabela mais próximos. Os valores numéricos da tabela estão em unidades de engenharia. Se na definição da tabela não forem utilizados os 20 pares de pontos, os valores não utilizados, que deverão ser os últimos, deverão ser colocados a +INF. Os valores xi da tabela deverão estar por ordem crescente. O parâmetro SWAP_2 quando colocado a 1 utiliza, para o 2º canal IN_2 OUT_2, a tabela inversa. Só pode fazer-se isto se a tabela for monótona. O parâmetro BYPASS, quando a 1, transfere directamente as entradas para as saídas respectivas. O bloco deverá funcionar em modo AUTO. Em situação de erro o bloco passa ao modo O/S. Os valores numéricos que definem a tabela são introduzidos no bloco por meio dos vectores CURVE_X e CURVE_Y. O estado dos sinais de entrada é transferido para as saídas correspondentes, o que permite utilizar este bloco em cadeias de controlo.



2.5.4.8. Bloco selector de entradas

Fig. 2.16 – Esquema do bloco “selector de entradas”

O bloco selector de entradas admite até 4 sinais de entrada, dos quais apresenta apenas um à saída, depois de efectuada a selecção. As entradas provêm de outro bloco funcional, por exemplo de um bloco AI, e não directamente de um bloco transdutor. Qualquer das entradas pode ser desactivada por meio do sinal aplicado à entrada correspondente DISABLE_i (i =1, 2, 3, 4). Quando o parâmetro estiver a 1 a entrada correspondente não é utilizada. O utilizador pode seleccionar manualmente qual a entrada a seleccionar colocando o número dessa entrada no parâmetro SELECTED. Além da selecção directa de uma determinada entrada é possível colocar na saída o seguinte:

1. O primeiro “valor aceitável” encontrado na sequência 1 4 das entradas. 2. A entrada de valor mais baixo, 3. A entrada de valor mais elevado, 4. A entrada de valor intermédio (funciona só para 3 entradas), 5. O valor “média das entradas”,

Estas opções são escolhidas por meio do parâmetro SELECT_TYPE: 1 = primeira leitura que for aceitável, 2 = mínimo, 3 = máximo, 4 = intermédio, 5 = média. A saída SELECTED indica qual das entradas está a ser utilizada (excepto para a média). Se o número de entradas boas for inferior ao parâmetro MIN_GOOD, a saída é dada como má. O bloco deverá funcionar em modo AUTO. Em manual não há saída. Em O/S está desactivado.



2.5.4.9. Bloco repartidor

O bloco repartidor, Fig. 2.17, tem como objectivo principal fornecer dois sinais de saída a partir de um sinal de entrada único, normalmente proveniente de um controlador PID. A entrada principal do bloco encontra-se referenciada na figura por “CAS_IN”, e os sinais da saída correspondentes por “OUT_1” e “OUT_2”. Uma vez que este bloco se destina a ser utilizado em cadeias de controlo, fornece também um sinal de saída de cálculo efectuado, “BKCAL_OUT”.

Fig. 2.17 – Esquema do bloco “repartidor” A forma como os sinais de saída são obtidos a partir do sinal de entrada são definidos pelo utilizador por meio dos vectores de entrada e de saída designados por “IN_ARRAY” e “OUT_ARRAY”, cujas componentes definem os pontos extremos das rectas indicadas no bloco central da Fig. 2.17.

11 11

12 12

21 21

22 22

_ _

X YX Y

IN ARRAY OUT ARRAYX YX Y

⎡ ⎤ ⎡ ⎤⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥= =⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎢ ⎥ ⎢ ⎥⎣ ⎦ ⎣ ⎦

Consoante os valores numéricos das componentes destes vectores assim se poderão ter diversas características, nomeadamente as duas indicadas na Fig. 2.18, conhecidas como “split range” e “sequência”.



X11 X12 X21 X22

A primeira destas características utiliza-se quando se controlam em simultânea duas válvulas a partir do mesmo controlador, uma a abrir (acção directa) e outra a fechar (acção inversa). A segunda característica destina-se a ser usada com duas válvulas em paralelo, para aumentar a gama do controlo.

Fig. 2.18 – Duas características correntes do bloco “repartidor”

O bloco repartidor admite os modos de funcionamento seguintes: O/S – Fora de serviço – este modo de funcionamento não tem interesse nas situações correntes,

IMAN – não são efectuados os cálculos descritos, o estado da saída é de inicialização, sempre que uma das entradas está em inicialização,

AUTO – As saídas são calculadas a partir de uma entrada interna designada por “SP”, que deverá ser introduzida pelo utilizador,

CAS – As saídas são calculadas a partir da entrada “CAS_IN”.

Ao especificarem-se os vectores de entrada e de saída, estão a dar-se os pontos que definem os troços de recta correspondentes às variáveis de entrada e de saída, significando deste modo que a saída deverá ser interpolada utilizando estes segmentos.

X11 X12 X21 X22

Y11 Y22

Y21 Y12

OUT_1 OUT_2

CAS_IN

Y12Y22

Y11, Y21

OUT_1 OUT_2

CAS_IN

a) “Spliter” b) Sequenciador



2.5.4.10. Bloco gerador de funções

Fig. 2.19 – Esquema do bloco “gerador de funções” O bloco gerador de funções permite obter um sinal de saída, periódico ou não, pré definido pelo utilizador. Este bloco é correntemente utilizado para gerar o “set-point” de controladores em processos industriais que trabalham, por lotes (em “batch”). O sinal de saída é definido ponto a ponto, por segmentos, a partir de dois vectores:

“START_VAL” – que indica o valor inicial de cada passo, e “DURATION” – que indica a duração dos respectivos passos.

Fig. 2.20 – Exemplo de uma saída do bloco “gerador de funções”

10 5 10 10 5 5 10 tempo (minutos)

SP (ºC)

120

50

25



Na Fig. 2.20 dá-se o exemplo de uma função gerada por este bloco. Para o exemplo apresentado nesta figura deverá ser

STEP_POS 1 2 3 4 5 6 7 8 START_VAL 0 25 25 50 120 120 0 0 DURATION 10 5 10 10 5 5 10 0 TIME_UNITS “minutes” (outras opções: “segundos”, “horas”, “dias” e “dd-hh:mm:ss”)

O bloco deverá funcionar em modo “automático”, caso contrário não há sinais de saída fornecidos pelo bloco (ver Fig. 2.19). Quando em “manual” o utilizador poderá escrever o valor de uma saída desejada. A saída “OUT” fornece o valor do sinal tal como apresentado na Fig. 2.20. A saída “STEP_POS” indica qual a posição (degrau) do ciclo em que o bloco se encontra. As saídas “TIME_POSN” e TIME_POSN_T” indicam ao tempo decorrido desde o início do actual degrau e desde o início do ciclo, respectivamente. O bloco gerador de funções admite 4 entradas:

“PAUSE” – é uma entrada lógica que pára o ciclo quando colocada a 1, continuando a execução quando o seu valor é reposto a 0.

“BKCAL_IN” – esta entrada fornece o estado do bloco a ele ligado que recebe o sinal “OUT”, que deverá encontrar-se em modo “cascata”. Se tal não acontecer, para que o gerador de funções possa funcionar, o estado da entrada “BKCAL_IN” deverá ser declarado “incerto”.

“START” – Este sinal de entrada, lógico, é o que dá início ao ciclo, na transição de 0 para 1.

“RESET_IN” – Sempre que seja fornecido o valor 1 a esta entrada lógica faz-se o reinicio do ciclo. O seu valor durante o funcionamento deverá ser zero.

A observação da Fig. 2.19 chama a atenção para os seguintes parâmetros, que podem ser introduzidos pelo utilizador (a não introdução determina o valor por defeito):

“AUTO_CYCLE” – Se o seu valor for 0 o ciclo é executado apenas uma vez, se for 1 o ciclo repete-se quando se atinge o fim do último degrau. Passa assim a gerar-se uma saída periódica (defeito = 0).

“START_TYPE” – Se existir uma diferença entre a saída deste bloco e o bloco que ele controla, superior à especificada pelos limites “DV_HI_LIM” e “DV_LO_LIM”, o ciclo não arranca se não for usado este parâmetro. As suas opções são: 1 – usar a curva especificada por “START_VAL” e “DURATION”. 2 – usar a mesma curva, mas com início no valor que entra em “BKCAL_IN”, 3 – usar a curva que se inicia em “BKCAL_IN” e que tem o declive definido pelos dois primeiros valores de “START_VAL” e pela “DURATION” respectiva.

“OP_CMD_SPG” – nesta posição o utilizador poderá escolher as opções “ADVANCE”, “REPEAT” ou “RESET”, que fazem a saída ir para o início do degrau seguinte, voltar ao início do degrau actual ou voltar ao início do ciclo, respectivamente.



2.5.4.11. Bloco de temporização e lógica

Fig. 2.21 – Esquema do bloco “timer” e lógica O bloco de temporização e lógica faz a combinação de até 4 entradas lógicas, coloca-a em “PV_D”, e processa-a fornecendo o sinal processado através da saída lógica “OUT_D”. A combinação das entradas lógicas é colocada em “PV_D”. A definição do tipo de combinação é feita pelo utilizador, através do parâmetro “COMB_TYPE”, de acordo com a tabela seguinte (as entradas não utilizadas são ignoradas):

COMB_TYPE PV_D OR 1, se pelo menos uma das entradas for 1

ANY2 1, se duas ou mais entradas usadas forem 1

ANY3 1, se três ou mais entradas usadas forem 1

AND 1, se todas as entradas usadas forem 1

EXACTLY1 1, se exactamente uma entrada usada for 1

EXACTLY2 1, se exactamente duas entradas usadas forem 1

EXACTLY3 1, se exactamente três entradas usadas forem 1

EVEN 1, se exactamente 0, 2, 4 entradas usadas forem 1

ODD 1, se exactamente 1, 3 entradas usadas forem 1



Além da simples combinação das entradas, este bloco pode realizar o seguinte, consoante a opção para o parâmetro “TIMER_TYPE”:

• Medir a duração dos sinais de entrada discretos combinados (duração de “PV_D”), • Acumular a duração dos sinais de entrada discretos combinados, até ao sinal de “reset”, • Contar as mudanças dos sinais de entrada discretos combinados, • Colocar a 1 a saída discreta “OUT_EXP” se a duração dos sinais combinados exceder

um determinado limite, • Produzir uma saída dos sinais combinados com atraso, ou sob a forma de impulso (o

atraso ou a duração do impulso são definidos por meio de “TIMER_SP”), • Fornecer saídas a indicar a quantidade de tempo expirado (saída “OUT_EXP”) e a

quantidade de tempo restante (saída “OUT_REM”), • Inverter qualquer dos sinais de entrada ou de saída (parâmetro “INV_S”).

O parâmetro “QUIES_OPT” permite efectuar a configuração das saídas “OUT_EXP” e “OUT_REM” sempre que o “timer” está em repouso. A variável “N_START” contém o número de transições 0 → 1 das entradas combinadas, desde a última passagem de 0 → 1 da entrada “RESET_IN”. O bloco deverá funcionar em modo “auto”.



2.5.4.12. Bloco avanço-atraso

Fig. 2.22 – Esquema do bloco avanço/atraso Este bloco efectua uma compensação dinâmica da variável que se encontra ligada à entrada “IN”, de acordo com a expressão

1

2

11

T sY XT s

+=

+

em que X e Y são as transformadas da Laplace da entrada “IN” e da saída “OUT”, T1 o tempo de avanço e T2 o tempo de atraso, expressos em segundos. Os valores destes tempos são fornecidos ao bloco através das entradas “LEAD_TIME” e “LAG_TIME”.

Este bloco destina-se a ser utilizado em cadeias de controlo; a variável de entrada, lógica, “FOLLOW” destina-se a fazer com que a saída siga a entrada sempre que o seu valor é igual a 1. O bloco admite como modos de funcionamento O/S, Manual e Automático, devendo ser este o modo de funcionamento quando inserido numa cadeia de controlo.

IN

LAG_TIME

FOLLOW

LEAD_TIME

OUT AUTO

MAN

IN

A

OUT

A

0

0 t

t

lead

lag



2.5.4.13. Outros blocos de funções

A instrumentação em rede Foundation Fieldbus dispõe de mais blocos de funções, além dos descritos, e que se apresentam a seguir, de uma forma resumida.

2.5.4.13.1. Selector do sinal de saída com limitação dinâmica

O sinal de entrada é direccionado para uma ou outra saída, com base no valor de uma entrada auxiliar. Os sinais de saída são limitados, em função de sinais de entrada auxiliares. O bloco destina-se a funcionar numa cadeia de controlo, suportando os modos O/S, Man, Auto e Casc.

2.5.4.13.2. Cálculo da densidade

O objectivo deste bloco consiste em calcular a densidade de um líquido com base no conhecimento da pressão em dois pontos, dos quais se conhece a diferença de cotas. O bloco tem uma entrada adicional para a temperatura do líquido, usando este valor para efectuar a compensação dinâmica de temperatura.

2.5.4.13.3. Gerador de constantes

Este bloco gera 6 constantes analógicas e duas constantes lógicas, apenas com o objectivo de poderem ser utilizadas por outros blocos de funções.

2.5.4.13.4. Flip-Flop e Trigger

Este bloco pode ser seleccionado pelo utilizador para funcionar como Flip-Flop SR, D-latch e edge-trigger.

2.5.4.13.5. ModBus Control Slave

Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados de controlo, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “slave”.

2.5.4.13.6. ModBus Supervision Slave

Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados com variáveis de leitura, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “slave”.

2.5.4.13.7. ModBus Control Master

Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados de controlo, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “master”.

2.5.4.13.8. ModBus Supervision Master

Este bloco utiliza-se para trocar informação contendo dados com variáveis de leitura, entre o protocolo Foundation Fieldbus e o protocolo Modbus, quando o dispositivo associado é “master”.



2.5.4.14. Bloco de saída analógica

O bloco de saída analógica obtém os dados de entrada de diversos blocos funcionais, através da entrada CAS_IN, e passa-os, depois de processados, ao transdutor de saída indicado pelo parâmetro CHANNEL, transdutor este que está associado ao dispositivo físico de saída. O seu esquema de princípio encontra-se indicado na figura Fig. 2.23.

Fig. 2.23 – Representação gráfica do bloco “Analog Output” A parametrização deste bloco torna-se clara a partir da observação do diagrama de blocos: CHANNEL – Indica o número do transdutor ou do terminal onde o bloco deve ir colocar o valor.

L_TYPE – Permite seleccionar o modo como o valor de entrada é processado: directo, se não estiver sujeito a qualquer calibração, indirecto se a calibração for linear, indirecto- -raíz quadrada, se no processo de calibração for extraída a raiz quadrada ao “field_value” antes de aplicar a escala à saída.

XD_SCALE – Estes parâmetros são aplicados ao valor proveniente do canal de entrada produzindo um “field_value”, em percentagem. Se os seus valores não forem correctos é originado um alarme de erro de configuração.

BLK_MODE – deverá escolher-se a opção “auto”, para que o “PV” seja transferido para a saída. As restantes opções são “manual” e “OOS”



LOW_CUT – Este parâmetro destina-se a eliminar ruído, próximo de zero, muito corrente em caudalímetros.

PV_TIME – Constante de tempo do filtro exponencial aplicado ao sinal PV, antes de o colocar na saída. O valor 0 indica que não há filtragem.

2.5.4.15. Outros blocos de saída

A instrumentação em rede Foundation Fieldbus dispõe de mais blocos de saída, além do bloco da saída analógica, que se apresentam a seguir, de uma forma resumida.

2.5.4.15.1. Saída discreta

O bloco de saída discreta aceita uma entrada lógica e passa-a ao transdutor a ele ligado, especificado pelo parâmetro “CHANNEL”

2.5.4.15.2. Saída analógica múltipla

O bloco de saída analógica múltipla aceita até 8 entradas analógicas e passa-as ao transdutor a ele ligado, especificado pelo parâmetro “CHANNEL”

2.5.4.15.3. Saída discreta múltipla

O bloco de saída discreta múltipla aceita até 8 entradas lógicas e passa-as ao transdutor a ele ligado, especificado pelo parâmetro “CHANNEL”

2.5.4.15.4. Saída em degrau PID

Este bloco de saída destina-se a ser utilizado quando o elemento final contiver um actuador accionado por um motor eléctrico, em que este deva rodar num sentido ou noutro, durante um tempo bem definido, mas a velocidade constante.

O bloco aceita como entradas as variáveis do processo “PV” e “SP” e processa-as utilizando um controlador PID. A saída do controlador é transformada numa saída com os estados –1, 0 ou +1, sendo a duração do estado –1 proporcional ao tempo que o motor deve rodar num determinado sentido e a duração do estado +1 proporcional ao tempo que o motor deve rodar em sentido contrário. Sempre que a saída do PID seja inferior a uma zona morta pré-definida, a saída do bloco será 0.

Este bloco destina-se a ser utilizado numa cadeia de controlo.



3. OS INSTRUMENTOS

Neste capítulo os instrumentos são referenciados pelo código do fabricante Smar, por serem aqueles a que se teve acesso, ao existirem no Laboratório de Instrumentação da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal.

3.1. Instalação

Ao efectuar a instalação da instrumentação em rede é necessário ter em conta o meio ambiente em que estes são instalados. Indica-se a seguir a atenção que deverá ser dada aos agentes ambientais. Para mais detalhes sobre a instalação deverá consultar-se o capítulo 4.

3.1.1. Acção da temperatura

É de boa prática instalar os sensores e os transmissores em locais em que não haja variações elevadas de temperatura ambiente. Para o efeito os instrumentos não devem ser instalados de modo a não ficarem directamente expostos à radiação solar ou junto a tanques ou tubagens quentes. Se as condições impuserem localizações deste tipo, deverá procurar utilizar-se protecções entre os instrumentos e as fontes de calor. As temperaturas extremamente baixas também podem fazer degradar o bom desempenho do transmissor. É preciso impedir a utilização do transmissor a temperaturas baixas sempre que haja a possibilidade de existir água na sua câmara de medida, como acontece no transmissor de pressão: isto pode danificar gravemente o transmissor ou até mesmo destruí-lo. No caso deste transmissor, sempre que seja feita a limpeza de linhas com vapor deverão ser tomadas as precauções para que não entre vapor para a câmara de medida.

3.1.2. Acção da humidade

A humidade é um outro factor ambiental que faz degradar qualquer aparelhagem que contenha circuitos electrónicos. Apesar dos circuitos electrónicos dos instrumentos Foundation Fieldbus estarem protegidos com um revestimento à prova de humidade, é de boa prática manter fechadas as caixas que contêm os instrumentos; as tampas têm um “O-Ring” que deve ficar ligeiramente apertado quando estas são colocadas e apertadas. Além das tampas correctamente colocadas, as entradas e saídas de cabos devem ser convenientemente fechadas com bucins apropriados.


Página 48 Capítulo 3 – Os Instrumentos Março de 2004

3.1.3. Atmosferas corrosivas, inflamáveis e explosivas

Além da humidade, há por vezes gases corrosivos na atmosfera que envolve o sensor. A pintura da caixa destes instrumentos é feita para resistir à maior parte destes gases; no entanto a rosca de aperto da tampa é mais vulnerável, pelo que é importante que esta esteja instalada até apertar o “O-Ring”.

No caso de o sensor estar colocado numa atmosfera explosiva não é permitido retirar a tampa sem ter garantido previamente que se retirou a energia à rede “Fieldbus”.

3.1.4. Efeito das vibrações

As vibrações são um outro factor que pode prejudicar o bom desempenho dos instrumentos. Embora as especificações dadas pelos fabricantes dos instrumentos Foundation Fieldbus indiquem uma relativa insensibilidade às vibrações, constitui também boa prática efectuar a sua instalação longe de ventiladores, bombas, turbinas ou qualquer outro equipamento vibrante.

3.2. LD302 – Fieldbus Pressure Transmitter

3.2.1. Objectivo

O LD302 é um transmissor de pressão, inteligente, da nova geração de instrumentos para funcionar em rede. Admite como entrada pressões absolutas, relativas ou diferenciais, consoante o modelo. A saída é exclusivamente digital, sinal com protocolo Foundation Fieldbus (FF). O seu princípio de funcionamento é baseado no transdutor capacitivo, largamente utilizado com grande êxito em transmissores de pressão de gerações anteriores. O sensor LD302 é configurável por software, utilizando vários blocos funcionais, como sejam o bloco transdutor, o bloco de entrada analógica, o bloco PID, o bloco de alarmes, etc. Alguns dos blocos funcionais têm necessariamente de existir no sensor, enquanto outros são opcionais. Quando há mais do que um instrumento FF em rede, quer seja de pressão ou de outro tipo, poderá haver blocos funcionais que tenham que estar presentes num grupo de instrumentos, sendo a sua localização num determinado instrumento feita por decisão do projectista. No capítulo anterior fez-se uma descrição dos blocos funcionais correntemente utilizados. 3.2.2. Instalação. Ligações.

Embora o LD302 disponha de um sensor de temperatura interno para efectuar a compensação das leituras, e de os sensores após o seu fabrico serem submetidos a ciclos de temperatura cujos efeitos são memorizados no transmissor para efectuar as compensações, deverão ser seguidas as normas gerais de instalação apresentadas na secção anterior, 3.1. Na secção 3.2.6 indicam-se as especificações deste transmissor no que respeita à temperatura, humidade e vibrações.


Março de 2004 Capítulo 3 – Os Instrumentos Página 49

A instalação do transmissor LD302 no processo efectua-se seguindo as normas gerais já seguidas pelos sensores convencionais, pneumáticos ou eléctricos, nomeadamente:

Fluido do processo

Localização das tomadas no processo

Posição do transmissor em relação às tomadas do processo

Gás No topo da conduta ou laterais Acima das tomadas

Líquido Laterais Abaixo das tomadas ou ao seu nível

Vapor Laterais Abaixo das tomadas, usando potes de condensação

Todas as linhas de impulso “horizontais” deverão ter uma inclinação de pelo menos 10 %, a fim de evitar a paragem de bolhas de gás.

3.2.3. Descrição funcional - Hardware

O LD302 utiliza um transdutor capacitivo. O seu esquema encontra-se representado na Fig. 3.1. Designando por

p1 – pressão aplicada a um dos diafragmas, p2 – pressão aplicada ao outro diafragma ( 1 2p p≥ ), C1 – capacidade eléctrica entre o eléctrodo 1 e o eléctrodo de medida, C2 – capacidade eléctrica entre o eléctrodo 2 e o eléctrodo de medida, d – distância entre os eléctrodos 1 e 2, A – área dos eléctrodos, em presença, ∆d – deflexão do eléctrodo de medida, ε – constante dieléctrica do líquido de enchimento,

poderá escrever-se, atendendo à expressão da capacidade do condensador plano, ACd

ε ,

1

2

AC d dε+ ∆

, e 2

2

AC d dε− ∆

Para pequenas deflexões será d p∆ ∝ ∆ . Um circuito que calcule 1 2

1 2

2C C dC C d

− ∆=

+, uma vez que d

tem um valor constante, calcula um valor proporcional a p∆ . O sensor deverá trabalhar pois em modo diferencial. No entanto,

se estiver p2 ligado à atmosfera, o sensor mede a pressão relativa, se estiver p2 ligado a uma célula com vácuo, o sensor mede pressão absoluta.



Fig. 3.1 – Esquema do transdutor capacitivo

Na Fig. 3.2 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o transmissor LD302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam.

Fig. 3.2 – Esquema de blocos do LD302

Download Firmware

Memória Flash

Memória RAM

Modem

Ajuste local

CPU (EPROM)

Fonte dealimen-

taçãocondi- cionador de sinal

+

–

Red

e

Local

“Main circuit board”

“Input circuit board”

Isolamento da fonte Local

Isola- mento galvâ-nico

Oscila-

dor

Controlador do “display”

“Display board”

EPROM

C1

C2

Termistor



3.2.4. Configuração

Ao configurar o sensor de pressão LD302 é necessário adicionar-lhe como mínimo os seguintes blocos funcionais: Bloco de recursos, bloco transdutor, bloco entrada analógica e, no caso em que esta opção esteja instalada, o bloco de visualização. A função de cada um destes blocos é descrita no Cap.2 secção 2.5, com excepção do bloco transdutor, que por ser específico deste sensor de pressão se descreve a seguir.

3.2.4.1. Bloco de recursos

Este bloco contém a informação relativa ao hardware deste dispositivo (ver capítulo anterior). O único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”.

3.2.4.2. Bloco transdutor

Neste tipo de bloco transdutor é necessário configurar os seguintes parâmetros:

MODE_BLK – target: auto. Neste modo o bloco transfere a leitura para o bloco “analog input”. A outra opção seria OOS (“out of service”).

CAL_UNIT – Através deste parâmetro o utilizador indica em que unidades é que pretende que se efectue a leitura. Existe uma lista pré-definida que inclui praticamente todas as unidades correntes.

CAL_POINT_LO – Valor inferior da gama de utilização. Deverá estar dentro da gama física. CAL_POINT_HI – Valor superior da gama de utilização. Deverá estar dentro da gama física. Os restantes parâmetros, foram estabelecidos em fábrica, durante o processo de calibração, devendo usar-se os valores por defeito. Não é necessário calibrar o sensor. 3.2.5. Manutenção

A manutenção correctiva do LD302 deve ser feita com este desligado do processo, na oficina de instrumentação. Para retirar o sensor de pressão do processo, deve seguir-se o procedimento análogo ao utilizado com qualquer sensor de pressão:

1. Garantir as condições para que o transmissor possa ser desligado. 2. Desligar o sensor da rede “fieldbus”, tendo o cuidado em não interromper a rede. 3. Fechar as válvulas de isolamento do processo e em seguida abrir a válvula de dreno. 4. Desligar o sensor das linhas que o ligam ao processo. 5. Na oficina identificar qual o módulo avariado e substituí-lo. O manual do sensor

indica como é que este deve ser aberto e desmontado. Apenas se recomenda a substituição de módulos completos: “sensor assembly”, main circuit board” e “display board”, para além de juntas, anilhas e parafusos. Deverá ter-se cuidado com a electricidade estática quando se manuseiam módulos com electrónica.

6. Depois de montar o sensor, ao ligá-lo à rede o “main circuit board” detecta a eventual substituição do “sensor assembly”. Os parâmetros deste são transferidos para o “main circuit board”, não havendo necessidade de efectuar qualquer calibração. Deverá efectuar-se o “download” da configuração, do computador para o sensor.



3.2.6. Especificações

São as seguintes as especificações do transmissor LD302, indicadas pelo fabricante:

3.2.6.1. Especificações funcionais

Fluido do processo – Líquido, gás ou vapor. Sinal de saída – Sinal digital, Foundation Fielbus, 31.25 kbit/s, alimentado pela rede. Fonte de alimentação – 9-32 V contínuos. Impedância de saída: Não intrinsecamente segura, de 7.8 a 39 kHz – > 3 kΩ. Intrinsecamente segura, de 7.8 a 39 kHz – > 400 Ω. Indicador local – opcional, de cristais líquidos, 4 ½ dígitos numéricos e 5 dígitos alfanuméricos. Zona restrita – à prova de explosão e intrinsecamente seguro (normas CENELEC e FM). Classe de protecção – IP67. Limites de temperatura: Ambiente, -40 a +85 ºC Processo, -25 a +85 ºC (“O-Rings” em Viton) Armazenamento, -40 a +100 ºC Indicador, -10 a +60 ºC (em operação), -40 a +85 ºC (sem danificar). Tempo de activação – Satisfaz as especificações 5 segundos após a ligação da energia eléctrica. Deslocamento volumétrico – inferior a 15 cm3. Limites de pressão (estática e dinâmica) – 2300 PSI (15.8 MPa) para o modelo M3. Normalmente uma sobrepressão não danifica o instrumento, exigindo no entanto que seja feita uma nova calibração. Limites de humidade – 0 a 100 % RH.

3.2.6.2. Especificações de desempenho

Precisão: ±0.01 % URL (gama superior de medida) – inclui os efeitos da não linearidade, histerese e repetibilidade. Estabilidade: ±0.1 % URL ao fim de 24 meses, ±0.25 % URL ao fim de 5 anos, com variações de temperatura de 20 ºC e variações de pressão estática de 70 Bar. Efeito da fonte de alimentação: ±0.005 % da leitura por volt. Efeito da posição de montagem: Apenas afecta o zero, até ao máximo de 250 Pa; não afecta o alcance. Pode ser corrigido na configuração do transdutor.

3.2.6.3. Especificações físicas

Ligação ao processo: ¼ –18 NPT ou ½ – 14 NPT Caixa: alumínio injectado pintado a polyester. (existe opção em 316SST) Fluido de enchimento: Silicone ou óleo Fluorolube Peso aproximado: 3.15 kg



3.2.7. Calibração

Num sensor digital o conceito de calibração não pode ser entendido como num sensor analógico. Neste, o procedimento da calibração faz corresponder aos sucessivos valores da grandeza a medir os correspondentes sinais de saída, por exemplo uma corrente eléctrica contínua. Num sensor digital, à grandeza a medir deverá fazer-se corresponder um número, representativo dessa grandeza. Normalmente não há motivos que obriguem este número a ser diferente da gama de medida do sensor. Restringindo a gama deste número está-se a perder a potencialidade que o sensor tem de medir em toda a gama de entrada, aumentando este número está-se a ler fora das especificações. Portanto, a gama de saída do sensor (numérica), deverá ser igual à gama de entrada (grandeza física a medir).

Acontece, por diversos motivos, que a saída numérica do sensor não é exactamente igual ao valor numérico da grandeza que se pretende medir. Podem assim aparecer os mesmos erros que aparecem nos sensores convencionais: zero, ganho não linearidade, histerese, etc. A configuração do bloco funcional transdutor permite efectuar estas compensações. Na prática as únicas grandezas que por vezes é necessário ajustar são o zero e o ganho, através dos parâmetros CAL_POINT_LO e CAL_POINT_HI. Poderão também usar-se outras unidades. O procedimento para efectuar este ajuste é o seguinte:

1. Escolher as unidades desejadas e atribuí-las ao parâmetro CAL_UNIT. A escolha deverá ser feita de entre o menu que é apresentado pelo parâmetro.

2. Aplicar à entrada do sensor um sinal de pressão igual ao mínimo pretendido para a gama do sensor. Respeitar o mínimo da gama do sensor. O valor deste sinal deverá ser dado através de um aparelho de precisão. Introduzir este valor numérico no parâmetro CAL_POINT_LO.

3. A seguir aplicar à entrada do sensor um sinal de pressão igual ao máximo pretendido para a gama. Respeitar o máximo da gama. O valor deste sinal deverá continuar a ser dado através de um aparelho de precisão. Introduzir este valor numérico no parâmetro CAL_POINT_HI.

4. O sensor ficou assim calibrado. A nova calibração deverá ser salva através dos parâmetros CAL_POINT_LO_BACKUP e CAL_POINT_HI_BACKUP.

5. Em qualquer altura poderá ser chamada uma calibração anteriormente efectuada, bem como a calibração original feita pelo fabricante.

3.3. TT302 – Fieldbus Temperature Transmitter

3.3.1. Descrição

O TT302 é um transmissor de temperatura, inteligente, da nova geração de instrumentos para funcionar em rede. Admite como entradas termo-resistências, termopares e quaisquer sinais em tensão contínua até 500 mV, consoante o modo de ligação à entrada. A saída é exclusivamente digital, sinal com protocolo Foundation Fieldbus (FF). Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos.



O sensor TT302 é configurável por software, utilizando vários blocos funcionais, como por exemplo o bloco selector de entradas, o bloco transdutor, o bloco PID, o bloco de alarmes, etc. Alguns dos blocos funcionais têm necessariamente de existir no sensor, enquanto outros são opcionais.

3.3.2. Instalação. Ligações.

A instalação do transmissor TT302 deverá seguir as normas gerais de instalação, não havendo, para além disso, cuidados especiais a ter em conta. O TT302 permite ligar à entrada os seguintes elementos:

• Uma termo-resistência (ou sinal em resistência) a 2 fios. • Duas termo-resistências a dois fios. • Um termopar ou outro gerador de tensão contínua em mV. • Dois termopares ou dois geradores de tensão contínua em mV.

Na Fig. 3.3 estão esquematizadas as ligações a efectuar para cada um destes casos.

Fig. 3.3 – Ligações à entrada do TT302

1 2 3 4

Uma termo-resistência (ou sinal em resistência)

a 2 fios

1 2 3 4


a 3 fios

1 2 3 4


a 4 fios

1 2 3 4

Duas termo-resistências (ou sinais em resistência)

a 2 fios

Um termopar

1 2 3 4

•

1 2 3 4

• •

10 MΩ

Dois termopares (ou sinais em mV)

1 2 3 4

Um sinal em mV




Na Fig. 3.4 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o conversor TT302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. As termo-resistências, os sinais em resistência, os termopares ou os sinais em mV contínuos ligam-se aos terminais de entrada de acordo com as ligações indicadas na Fig. 3.3.

Fig. 3.4 – Esquema de blocos do TT302


Ao configurar o transmissor TT302 é necessário adicionar-lhe pelo menos os seguintes blocos funcionais: Bloco de recursos, bloco transdutor, bloco entrada analógica e bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção. A função de cada um destes blocos, bem como a sua configuração, é descrita no Cap.2 secção 2.5. Indica-se a seguir a configuração que foi dada ao bloco transdutor, por ser específico do transmissor de temperatura.


Como para o transmissor de pressão, o único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”.

Download Firmware

Memória Flash

Memória RAM

Modem

Ajuste local

CPU (EPROM)

Fonte dealimen-


+

–

Red

e

Local

“Main circuit board”“Input circuit board”


Isol

amen

to

galv

ânic

o

1

2

3

4

Termistor


“Display board”

Con

vers

or

A/D

Con

dici

onad

or

de si

nal

Mul

tiple

xer




Neste tipo de bloco transdutor é necessário configurar os seguintes parâmetros:

MODE_BLK – target: auto. A outra opção seria OOS.

SENSOR_TRANSDUCER_NUMBER – Este parâmetro indica quantos transdutores estão ligados ao TT302. Poderão estar 1 ou 2. No caso de haver 2 sensores ligados é necessário indicar se o sinal de saída é a diferença dos dois, se um é “backup” do outro ou ainda se são independentes.

SENSOR_TYPE – Aqui há um leque muito variado de opções(de entre uma lista pré-definida de cerca de 25 tipos), para os diversos tipos normalizados de termo-resistências, de transdutores com saída em resistência, termopares normalizados e sensores com saída em tensão contínua até 500 mV.

SENSOR_CONNECTION – As opções de 3 e 4 fios são destinadas às termo-resistências, quando se pretende compensar a resistência dos cabos de ligação. No caso de serem utilizadas ligações a 3 ou 4 fios apenas poderá ser utilizada uma resistência ligada ao transmissor TT302. No caso da ligação a 2 fios é ainda possível efectuar a compensação da resistência dos cabos de ligação, fazendo com que o próprio TT302 a meça, curto-circuitando a termo-resistência, no campo, e activando o parâmetro LEAD_RESISTANCE_VALUE.

PRIMARY_VALUE_TYPE – Escolher entre “process temperature”, “diferencial” ou “backup”.

CAL_UNIT – units: como opções há: ºC, kelvin, ºfahrenheit e rankine.

Os parâmetros de calibração CAL_POINT_HI e CAL_POINT_LO vêm introduzidos de origem, não sendo normalmente necessário reconfigurar. Os restantes parâmetros, foram estabelecidos em fábrica, durante o processo de calibração, devendo pois usar-se os valores por defeito. Não é necessário calibrar o transmissor.

3.3.5. Manutenção

A manutenção correctiva do TT302 deve ser feita com este desligado do processo, na oficina de instrumentação. Para retirar o sensor de temperatura do processo, deve seguir-se o seguinte procedimento:

1. Garantir as condições para que os sensores analógicos que estão ligados ao conversor possam ser desligados.

2. Desligar o sensor da rede “fieldbus”, tendo o cuidado em não interromper a rede. 3. Na oficina identificar qual o módulo avariado e substituí-lo. O manual do sensor indica

como é que este deve ser aberto e desmontado. Apenas se recomenda a substituição de módulos completos: “sensor assembly”, main circuit board” e “display board”.



4. Depois de montar o sensor, ao ligá-lo à rede o “main circuit board” detecta a eventual substituição do “sensor assembly”. Os parâmetros deste são transferidos para o “main circuit board”, não havendo necessidade de efectuar qualquer calibração. Deverá efectuar-se o “download” da configuração, do computador para o sensor.

3.3.6. Especificações São as seguintes as especificações do transmissor TT302, indicadas pelo fabricante:


Sinais de entrada: Termo-resistências, termopares, mV. Sinal de saída – Sinal digital, Foundation Fielbus, 31.25 kbit/s, alimentado pela rede Fonte de alimentação – 9-32 V contínuos Consumo: 12 mA Impedância de saída: Não intrinsecamente segura, de 7.8 a 39 kHz – > 3 kΩ Intrinsecamente segura, de 7.8 a 39 kHz – > 400 Ω Indicador local – opcional, de cristais líquidos, com 4 ½ dígitos numéricos e 5 dígitos

alfanuméricos Zona restrita – à prova de explosão e intrinsecamente seguro (normas CENELEC e FM) Classe de protecção – IP67 Limites de temperatura: Ambiente, -40 a +85 ºC, Armazenamento, -40 a +100 ºC, Processo, -25 a +85 ºC (“O-Rings” em Viton) Indicador, -10 a +60 ºC (em operação) -40 a +85 ºC (sem danificar) Limites de humidade – 10 a 100 % HR Tempo de activação – Satisfaz as especificações 10 segundos após a ligação da energia eléctrica. 3.3.6.2. Especificações de desempenho

Precisão: ±0.01 a 0.1 % URL (gama superior de medida), consoante o tipo de transdutor que está ligado – inclui os efeitos da não linearidade, histerese e repetibilidade.

Efeito da temperatura: ±0.03 % da leitura, por cada 10ºC de variação de temperatura. Efeito da fonte de alimentação: ±0.005 % da leitura por volt.


Ligação eléctrica: ½ –14 NPT ou M20×1.5 Caixa: alumínio injectado pintado a polyester. (existe opção em 316SST) Montagem: pode ser fixado a uma parede, apertado a um tubo (diâmetro de 50 mm) ou colocado directamente no transdutor. Peso aproximado: 0.80 kg



3.3.7. Calibração

Uma vez que se trata de um transmissor digital, em princípio não há motivos que obriguem a restringir a gama de calibração. Pode no entanto haver necessidade de compensar os erros de zero, de ganho, de não linearidade, de histerese, etc. A configuração do bloco funcional transdutor permite efectuar estas compensações. Na prática a única que por vezes é necessário ajustar é o zero e o ganho, sendo este ajuste efectuado através dos parâmetros CAL_POINT_LO e CAL_POINT_HI. Poderá também ser necessário mudar de unidades de temperatura.

O procedimento para efectuar estas operações é o seguinte:

1. Escolher as unidades desejadas e atribuí-las ao parâmetro CAL_UNIT. A escolha deverá ser feita de entre o menu que é apresentado pelo parâmetro (ver pág. 56).

2. Aplicar à entrada do sensor uma tensão correspondente ao mínimo do sinal de temperatura pretendido para a gama do sensor, no caso de se tratar de um termopar. Respeitar o mínimo da gama do sensor. O valor deste sinal deverá ser fornecido através de um aparelho de precisão. Introduzir o mesmo valor numérico no parâmetro CAL_POINT_LO.

3. No caso do sensor trabalhar com termo-resistência, em vez de se aplicar uma tensão à entrada do transmissor, liga-se uma resistência de precisão (década de resistências) com o valor correspondente ao mínimo de temperatura pretendido.

4. A seguir aplica-se à entrada do sensor um sinal (tensão ou resistência, consoante se trate de termopar ou termo-resistência) correspondente ao máximo de temperatura pretendido para a gama do sensor. Deverá ser respeitado o máximo da gama do sensor. O valor deste sinal deverá ser dado através de um aparelho de precisão ou de uma década de resistências de precisão. Introduzir o respectivo valor numérico de temperatura no parâmetro CAL_POINT_HI.

5. O sensor fica assim calibrado. A nova calibração deverá ser salva através dos parâmetros CAL_POINT_LO_BACKUP e CAL_POINT_HI_BACKUP.

6. Em qualquer altura poderá ser chamada a calibração anteriormente efectuada, bem como a calibração original feita pelo fabricante.



3.4. IF302 – Triple Channel Current to Fieldbus Converter

3.4.1. Objectivo

O IF302 é um conversor destinado a servir de interface entre a instrumentação convencional de 4-20 mA e a rede Foundation Fieldbus. Este conversor é unidireccional: admite 3 entradas analógicas independentes, em corrente de 4-20 mA ou 0-20 mA, e fornece uma saída exclusivamente digital com o protocolo Foundation Fieldbus. Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos. Para efectuar o interface em sentido inverso deverá utilizar-se outro conversor, o FI302. O conversor IF302 é, como acontece com os transmissores anteriores, configurável por software, utilizando os blocos funcionais descritos. 3.4.2. Instalação. Ligações eléctricas

A instalação do conversor IF302 deverá seguir as normas gerais de instalação, não havendo, para além disso, cuidados especiais a ter em conta.

A entrada dos cabos de rede deverá ser feita apenas por uma das aberturas existentes na caixa do conversor. As ligações analógicas poderão ser feitas pela 2ª entrada do conversor. Qualquer destas aberturas deverá ser convenientemente selada de acordo o tipo de ambiente em que o sensor se encontra instalado.

Na Fig. 3.5 indica-se a forma de ligar transmissores de corrente de 4-20 mA ao IF302 para o caso em que aqueles são alimentados por meio de uma fonte de alimentação externa. As entradas de corrente, fazem-se pelos terminais 1, 2 e 3 e 4. A ligação à rede é feita através dos terminais + e -, pelo que deve haver coincidência entre esta polaridade e a dos condutores de rede.

Fig. 3.5 – Ligações do conversor IF302

+ 1

2

3

–

IF302

4

Transmissor 1

Transmissor 2

Transmissor 3

Fonte Aliment

4–20 mA

4–20 mA

4–20 mA

+

+

+

+ ––

Rede




Na Fig. 3.6 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o conversor IF302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. Os terminais 1 a 4 da entrada ligam ao “input circuit board”, sendo o terminal 4 comum aos 3 canais. As entradas estão protegidas contra inversão de polaridade, devendo no entanto haver o cuidado de não aplicar directamente a tensão da fonte aos terminais 1 a 3, o que poderia danificar o circuito de entrada. Note-se que o circuito de entrada e o circuito principal se encontram isolados galvanicamente.

Fig. 3.6 – Esquema de blocos do IF302 3.4.4. Configuração

Para configurar o conversor IF302 é necessário adicionar-lhe os seguintes blocos funcionais: Três blocos transdutores, um bloco de recursos, um bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção, e os blocos de funções que o projectista considerar necessários. A função de cada um destes blocos foi descrita na secção anterior. Indica-se a seguir a configuração que deve dada a cada um destes blocos.


O único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: colocar em “auto”.

Download Firmware

Memória Flash

Memória RAM

Modem

Ajuste local

CPU (EPROM)

Fonte dealimen-


+

–

Red

e

Local

“Main circuit board” “Input circuit board”


Isola- mento galvâ-nico

1

2

3

4

Con-ver-sor

A/D

Mul-tiple-xer

3 × 100 Ω

3 ×

4-20

mA


“Display board”




O bloco transdutor efectua uma separação entre o hardware de entrada (conversor I/F) e os blocos de funções. Deverá ser incluído um bloco transdutor por cada um dos canais de corrente de entrada. Indica-se a seguir a forma de configurar os parâmetros mais importantes destes blocos.

MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”. Deste modo o bloco está activo. A outra opção seria OOS. TERMINAL_NUMBER – Este parâmetros selecciona o canal físico de entrada que contém a corrente eléctrica que está a ser lida. Pode tomar os valores 1, 2 ou 3. É possível efectuar a calibração da corrente de entrada do conversor da seguinte maneira: Injecta-se à entrada do terminal uma corrente de I1 mA, tal que 10 9I mA≤ ≤ . Aguarda-se uns segundos até o valor estabilizar e introduz-se, pelo software, o valor numérico de I1 no parâmetro CAL_POINT_LO – Indica o valor mínimo da corrente de entrada. Normalmente é 0 ou 4 mA. Seguidamente aumenta-se a corrente para um valor I2 tal que 215 22I mA≤ ≤ e introduz-se em CAL_POINT_HI – Indica o valor máximo da corrente de entrada. Normalmente será 20 mA. O procedimento que acaba de se descrever não é habitualmente necessário, pois o conversor vem calibrado de fábrica para a gama 4-20 mA que é a correntemente utilizada.

Para calibrar o conversor de modo a que indique os valores de saída nas unidades de Engenharia desejadas deverão ser utilizados os seguintes parâmetros:

CAL_UNIT – units: xxx CAL_POINT_HI – xxx CAL_POINT_LO – xxx Linear/quadrático – yyy

3.4.5. Manutenção

A manutenção correctiva do IF302 deve ser feita com este desligado do processo, na oficina de instrumentação e é análoga à que foi descrita para o transmissor de temperatura TT302 (ver secção 3.3.5).


São as seguintes as especificações do transmissor IF302, indicadas pelo fabricante: 3.4.6.1. Especificações funcionais

Entrada: 3 sinais de entrada dentro de 4-20 mA, protegidos contra inversão de polaridade. Saída – Sinal digital, Foundation Fieldbus, 31.25 kbit/s, alimentado pela rede. Fonte de alimentação – 9-32 V contínuos. Consumo: 12 mA, com as entradas a zero. As restantes especificações funcionais são iguais às do TT302 (secção 3.3.6.3).




Precisão: ±0.03 da gama de medida para um sinal de entrada de 4-20 mA. 5 µA para outras gamas de entrada.

Efeito da temperatura: ±0.05 % da leitura, por cada 10 ºC de variação de temperatura. Efeito da fonte de alimentação: ±0.005 % da leitura por volt. 3.4.6.3. Especificações físicas

São iguais às do TT302 (secção 3.3.6.3). 3.5. FI302 – Triple Channel Fieldbus to Current Converter

3.5.1. Objectivo

O FI302 é um conversor destinado a servir de interface entre a rede Foundation Fieldbus e a instrumentação convencional de 4-20 mA. Este conversor é unidireccional: admite 1 entrada exclusivamente digital com o protocolo Foundation Fieldbus e fornece 3 saídas analógicas independentes, em corrente de 4-20 mA ou 0-20 mA. Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos. Para efectuar o interface em sentido inverso deverá utilizar-se outro conversor, o IF302. O conversor FI302 é, como acontece com os instrumentos anteriores, configurável por software, utilizando os blocos funcionais já descritos. 3.5.2. Instalação. Ligações eléctricas

A instalação do conversor FI302 deverá seguir as normas gerais de instalação, não havendo, para além disso, cuidados especiais a ter em conta.

A entrada dos cabos de rede deverá ser feita apenas por uma das aberturas existentes na caixa do conversor. As ligações analógicas poderão ser feitas pela 2ª entrada do conversor. Qualquer destas aberturas deverá ser convenientemente selada de acordo o tipo de ambiente em que o sensor se encontra instalado.

Na Fig. 3.7 indica-se a forma de ligar o FI302 aos receptores de corrente de 4-20 mA para o caso em que aqueles são alimentados por meio de uma fonte de alimentação externa. São exemplos de receptores de corrente os conversores I/P utilizados em válvulas de controlo, registadores analógicos, posicionadores, etc. Repare-se que o terminal nº4 é comum a todas as saídas de corrente, sendo os terminais 1, 2 e 3 destinados às saídas dos sinais de corrente 1, 2 e 3 respectivamente. A ligação à rede é feita através dos terminais + e -, pelo que deve haver coincidência entre esta polaridade e a dos condutores de rede.



Fig. 3.7 – Ligações do conversor FI302


Na Fig. 3.8 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o conversor FI302, estando identificados os circuitos electrónicos em que os referidos blocos se localizam. A saída dos sinais de corrente efectua-se através dos terminais 1 a 4 da saída e ligam ao “output circuit board”, sendo o terminal 4 comum aos 3 canais. Note-se que os circuitos de saída se encontram isolados galvanicamente.

Fig. 3.8 – Esquema de blocos do FI302

+ 1

2

3

–

FI302

4

Receptor 1

Receptor 2

Receptor 3

Fonte Aliment

4–20 mA

4–20 mA

4–20 mA

+

+

+

+ ––

Rede

Download Firmware

Memória Flash

Memória RAM

Modem

Ajuste local

CPU (EPROM)

Fonte de alimen- tação

condi- cionador de sinal

+

–

Red

e

Local



“Display board”

“Output circuit


Isola- mento galvâ-nico 3

4

D/A

3 ×

4-20

mA

1

2

D/A

D/A




Para configurar o conversor FI302 é necessário adicionar-lhe os seguintes blocos funcionais: Um bloco de recursos, três blocos transdutores, um bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção, e os blocos de funções que o projectista considerar necessários. A função de cada um destes blocos foi descrita na secção anterior. Indica-se a seguir a configuração que deve dada ao bloco transdutor, por ser o único que é específico do conversor.


O único parâmetro a configurar será MODE_BLK – target: colocar em “auto”.


O bloco transdutor efectua uma separação entre o hardware de entrada (conversor F/I) e os blocos de funções. Deverá ser incluído um bloco transdutor por cada um dos canais de corrente de saída. Indica-se a seguir a forma de configurar os parâmetros mais importantes destes blocos. MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”. Deste modo o bloco está activo. A outra opção seria OOS (out of service). TERMINAL_NUMBER – Este parâmetros selecciona o canal físico de saída que fornece a corrente eléctrica que está a ser lida. Pode tomar os valores 1, 2 ou 3. É possível efectuar a calibração da corrente de saída do conversor da seguinte forma: Injecta-se à entrada do terminal uma corrente I1, de valor bem definido, tal que 10 9I mA≤ ≤ . Aguarda-se alguns segundos até o valor estabilizar e introduz-se, pelo sistema, o valor de I1 em CAL_POINT_LO (– Indica o valor mínimo da corrente de saída. Normalmente é 0 ou 4 mA). Seguidamente aumenta-se a corrente para um valor I2 tal que 215 22I mA≤ ≤ e introduz-se em CAL_POINT_HI (– Indica o valor máximo da corrente de saída. Normalmente será 20 mA).

O procedimento que acaba de se descrever não é habitualmente necessário, pois o conversor vem calibrado de fábrica para a gama 4-20 mA que é a correntemente utilizada.

Para calibrar o conversor de modo a que indique os valores de saída nas unidades de Engenharia desejadas deverão ser utilizados os seguintes parâmetros:

CAL_UNIT – units: xxx CAL_POINT_HI – xxx CAL_POINT_LO – xxx Linear/quadrático – yyy

3.5.5. Manutenção

A manutenção correctiva do FI302 deve ser feita com este desligado do processo, na oficina de instrumentação e é análoga à que foi descrita para o transmissor de temperatura TT302 (ver secção 3.3.5).




As especificações do transmissor FI302, são análogas às do IF302, com as seguintes modificações: Entrada – Sinal digital, Foundation Fielbus, 31.25 kbit/s, alimentado pela rede. Saída – 3 sinais de corrente dentro de 4-20 mA com alimentação externa de 3-45 VDC,

protegidos contra inversão de polaridade. 3.6. FY302 –Fieldbus Valve Positioner

3.6.1. Objectivo

O FY302 é um posicionador destinado a servir de interface entre a rede Foundation Fieldbus e válvulas pneumáticas de actuação simples ou dupla, lineares ou rotativas. Admite como entrada um sinal digital com o protocolo Foundation Fieldbus e fornece uma saída analógica pneumática de 3-15 PSI. Como opção este sensor inclui um indicador local de cristais líquidos. O conversor FY302 é, como acontece com os instrumentos anteriores, configurável por software, utilizando os blocos funcionais já descritos. 3.6.2. Instalação. Ar e ligações pneumáticas

A instalação do posicionador FY302 depende do tipo de actuador utilizado na válvula, que pode ser simples com mola de retorno ou de dupla acção, e também do tipo de movimento, que pode ser linear ou rotativo. Quer no actuador linear como no rotativo deverá verificar-se se a seta gravada no magneto do sensor se encontra em frente da seta que indica a posição do actuador quando a válvula se encontra a 50% do seu curso. Se o posicionador ou o magneto forem alterados na sua posição, será necessário recalibrar o posicionador. Tanto os indicadores pneumáticos como o indicador electrónico que mostra a posição da válvula podem ser instalados em diversas posições, de modo a facilitar a visualização.

O posicionador necessita de ser alimentado com ar de instrumentação. Este deverá ser seco, limpo e não corrosivo(1). A pressão do ar de alimentação deverá estar compreendida entre 140 kPa e 700 kPa. As suas características devem obedecer, de acordo com a especificação da ISA, a:

• Dimensão máxima das partículas sólidas: 3 µm. • Conteúdo de óleo: máximo de 1 ppm em peso. • Ponto de orvalho: pelo menos 10 ºC abaixo da temperatura mínima na instalação. • Contaminantes: livre de gases tóxicos ou inflamáveis.

1 A qualidade do ar de instrumentação é definido na norma ISA S7.3 da Instrument Society of America.



Cuidado com a utilização de selantes nas ligações pneumáticas, tais como PTFE (Teflon) e semelhantes, que podem partir-se em pequenos fragmentos que poderão obstruir os orifícios de passagem de ar.

As ligações pneumáticas do posicionador são as seguintes:

IN – destina-se a ligar o ar de alimentação. OUT1 – saída para abrir a válvula. OUT2 – saída para fechar a válvula.

As ligação pneumáticas a efectuar entre o posicionador e a válvula são as seguintes, quer se trate de válvulas lineares ou rotativas:

Tipo de acção do actuador: Ligações entre o posicionador e o actuador:

Acção simples OUT1 do posicionador à entrada do actuador. OUT2 do posicionador deve ser fechado

Acção dupla – ar a abrir OUT1 do posicionador à entrada OPEN do actuador. OUT2 do posicionador à entrada CLOSE do actuador

Acção dupla – ar a fechar OUT2 do posicionador à entrada OPEN do actuador. OUT1 do posicionador à entrada CLOSE do actuador

3.6.3. Instalação. Ligações eléctricas

O posicionador FY302 é alimentado através da rede Fieldbus a que é ligado. A tensão contínua da rede deverá estar compreendida entre 9 e 32 V. A rede contém também o sinal digital de interligação com o posicionador. O cabo de rede deverá ser ligado aos terminais + e – existentes na caixa de ligações eléctricas. Há dois terminais de terra, que apenas por conveniência da instalação estão colocados um no interior da caixa e outro no seu exterior.




Na Fig. 3.6 representa-se, sob a forma de esquema de blocos, o posicionador FY302. Nele destaca-se o seguinte: O valor desejado para a posição da válvula é enviado pelo CPU ao módulo D/A, que o converte numa tensão (analógica). Esta é enviada à carta de controlo, que envia um sinal para posicionar a válvula, tendo em conta o valor desejado e o “feedback” proveniente do circuito ligado ao sensor por efeito de Hall.

Fig. 3.9 – Esquema de blocos do TT302


“Display board”

Download Firmware

Memórias Flash e RAM

Controlador das comu-nicações

A/D

Ajuste local

CPU

Fonte de alimen- tação

condi- cionador de sinal

+

–

Red

e

Alim. Local


A/D

D/A

Actuador

haste

Válvula

mag

neto

OUT1

OUT2

VÁLVULA

“Transducer assembly”

Controlo

Isolamento

Relé

“nozzle” Restrição

Sensor de temperatura

circuito efeito de Hall

Sensor efeito de Hall

Analógico

Pneumático

Alimenta- ção de ar




Ao configurar o transmissor FY302 é necessário adicionar-lhe pelo menos os seguintes blocos funcionais: Bloco de recursos, bloco transdutor, bloco saída analógica e bloco de visualização, nos casos em que existe esta opção. A função de cada um destes blocos, bem como a sua configuração, é descrita no Cap.2 secção 2.5. Indica-se a configuração que dada a estes blocos.


Como para os outros dispositivos, o único parâmetro a configurar no bloco de recursos será MODE_BLK – target: Deve ser-lhe atribuído o valor “auto”.


O bloco transdutor de saída recebe a posição pretendida para a válvula (“set-point” da posição da válvula) através de um bloco funcional “Analog Output” – AO. Para posicionar correctamente a válvula o bloco transdutor contém um controlador PI interno, com ganhos ajustáveis, SERVO_GAIN e SERVO_RESET. Estes parâmetros vêm configurados de origem para os valores 20 e 4, respectivamente, sendo eventualmente necessário proceder ao seu ajuste durante o arranque da instalação. É no entanto necessário configurar os seguintes parâmetros:

MODE_BLK – target: auto. VALVE_TYPE – Linear ou Rotary.

No caso de se modificar a posição do magneto que detecta a posição é necessário calibrar o bloco transdutor. Para o efeito procede-se do seguinte modo:

1. Providenciar no sentido de que o indicador local esteja a indicar a posição da válvula. 2. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição fechada. Verificar a

posição do indicador mecânico em relação ao magneto. 3. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição aberta. Verificar a

posição do indicador mecânico em relação ao magneto. 4. Ajustar o magneto de forma que o curso da válvula fique entre as suas marcas. 5. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição fechada. Escrever 0 no

parâmetro CAL_POINT_LO. Cuidado: Ao escrever sobre este parâmetro é iniciada a rotina de calibração.

6. Ler a posição apresentada pelo indicador local e escrevê-la no parâmetro FEEDBACK_CAL. Repetir, se necessário, até que o indicador mostre 0 %.

7. Escrever no parâmetro CAL_CONTROL o valor “disable”. Isto termina o processo de calibração. Este, deverá ser repetido para a válvula aberta, como se indica a seguir:

8. Colocar, com o auxílio do tubo pneumático, a válvula na posição aberta. Escrever 100 no parâmetro CAL_POINT_HI. Escrevendo aqui inicia-se de novo a rotina de calibração.

9. Ler a posição apresentada pelo indicador local e escrevê-la no parâmetro FEEDBACK_CAL. Repetir, se necessário, até que o indicador mostre 100 %.

10. Escrever no parâmetro CAL_CONTROL o valor “disable”. Isto termina o processo de calibração.



3.6.6. Manutenção

A manutenção correctiva do FY302 deve ser feita de acordo com as indicações do fabricante. Há que verificar o sistema pneumático e o eléctrico. Sistema pneumático. Verificar o seguinte:

• Se existe ar de alimentação, com pressão compreendida entre 140 e 700 kPa. • Se há fugas de ar na ligação ao posicionador e ao actuador. • As saídas do posicionador e a limpeza das restrições do posicionador.

Sistema eléctrico. Verificar o seguinte:

• Se o cabo de rede está correctamente ligado, aos terminais + e – . • Se a rede está alimentada, com uma tensão contínua entre 9 e 32 V. • Se a rede tem o terminador colocado. • Se os parâmetros de configuração da válvula estão convenientemente atribuídos. • Se o sistema reconhece o posicionador na rede, na lista de dispositivos activos.

Pode ainda acontecer que a válvula não responda correctamente, estando muito lenta ou então oscilante, quando o “set-point” da sua posição for fixo. Nesta situação deverão modificar-se os parâmetros SERVO_GAIN ou SERVO_RESET, de modo a estabilizar a válvula com uma resposta aceitável. 3.6.7. Especificações São as seguintes as especificações do transmissor FY302, indicadas pelo fabricante:


Sinais de entrada: Sinal digital, Foundation Fieldbus, 31.25 kbit/s Sinal de saída – sinal pneumático de 3-15 PSI, de acção simples ou dupla, com capacidade para

fornecer 46.5 m3N/h. Alimentação pneumática: ar de instrumentação, 140 a 700 kPa. Consumo 0.25 a 0.70 m3N/h. Alimentação eléctrica – 9-32 V contínuos, com a rede. Consumo < 12 mA. Indicador local – opcional, de cristais líquidos, com 4 ½ dígitos numéricos e 5 dígitos

alfanuméricos Zona restrita – à prova de explosão e intrinsecamente seguro (normas CENELEC e FM) Classe de protecção – IP67 Limites de temperatura: Ambiente, -40 a +85 ºC, Armazenamento, -40 a +100 ºC, Processo, -25 a +85 ºC (“O-Rings” em Viton) Indicador, -10 a +60 ºC (em operação) -40 a +85 ºC (sem danificar) Limites de humidade – 10 a 100 % HR Tempo de activação – Satisfaz as especificações 10 segundos após a ligação da energia eléctrica.




Precisão: ± 0.1 % URL (gama superior de medida) – inclui os efeitos da não linearidade, histerese e repetibilidade.

Efeito da temperatura: ±0.03 % da leitura, por cada 10ºC de variação de temperatura. Efeito da fonte de alimentação: ±0.005 % da leitura por volt. Efeito das vibrações: ±0.3 % /g, nas condições de frequência indicadas pelo fabricante.


Caixa: alumínio injectado pintado a polyester. (existe opção em 316SST) Montagem: apertado ao corpo da válvula, com várias opções de montagem. Peso aproximado: 2.80 kg com o módulo de visualização incluído.

4. PROJECTO DE REDES DE INSTRUMENTAÇÃO

4.1. Introdução

Neste capítulo vai-se abordar a forma de efectuar projectos de instrumentação em rede, em unidades industriais. Trata-se de redes de instrumentação de médio porte, envolvendo toda a instrumentação a nível de uma área fabril, por exemplo, a instrumentação de uma caldeira de queima de óleo ou de uma unidade de branqueamento de pasta de papel.

Quer se trate da execução de uma instalação nova, de raiz, ou de uma modificação numa instalação já existente, é fundamental a elaboração do projecto de instrumentação. Sobre este assunto recomenda-se a obra “Projecto de Instrumentação”, João Catarino, EST-2004 [19].

Uma vez que a especificação das cadeias de medida e de controlo, bem como os materiais e a classe de protecção da aparelhagem são independentes do facto de se utilizarem ou não os instrumentos em rede, não se vai fazer referência a esta parte do projecto. Vai ainda partir-se do pressuposto que a instrumentação será ligada em rede e esta será do tipo “Foundation Fieldbus”.

Para o projecto de uma rede FF deve-se em primeiro lugar elaborar o diagrama P&I. Este, utiliza para os instrumentos em rede, uma simbologia um pouco diferente da convencional. Será necessário, ao efectuar a selecção dos instrumentos, além de tomar em consideração o campo de medida, as condições ambientais extremas, a classe de protecção e as eventuais barreiras de segurança, considerar que os instrumentos devem ser para funcionar em rede digital Foundation Fieldbus.

A instalação da instrumentação propriamente dita não difere em muito da instalação convencional, encontrando-se as diferenças fundamentais nas ligações: é necessário ligar os instrumentos por meio de segmentos de rede, sujeitos a determinadas limitações, como por exemplo poder retirar o transmissor sem interromper a rede, limitar o comprimento de cada segmento e também o número de instrumentos em cada segmento.

Após a instalação física é necessário configurar os instrumentos. Estes no entanto poderão ser previamente configurados, para não se perder tempo entre a fase de instalação e a fase de comissionamento. É durante a configuração que se começam a observar as potencialidades do sistema com instrumentação digital em rede, ao observar-se a existência de um grande número de possibilidades não existentes na instrumentação convencional de 4-20 mA ou mesmo na instrumentação inteligente sem ser para rede.


Página 72 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Março de 2004

Com os instrumentos configurados, os testes de serviço e a colocação em serviço não oferecem dificuldade, uma vez que não é necessário proceder a quaisquer ajustes.

Finalmente, um ponto muito importante em qualquer projecto, é necessário elaborar a documentação actualizada da instrumentação, para que posteriormente se saiba exactamente qual a situação existente, em particular para quem tem de efectuar trabalhos de manutenção ou efectuar modificações. 4.2. Diagramas P&I

É de esperar que os diagramas P&I, no que se refere à instrumentação em rede, sejam diferentes dos diagramas P&I convencionais. Tome-se como exemplo a representação de uma cadeia de controlo de caudal. Enquanto que na instrumentação convencional o controlador é um dispositivo com individualidade física e nos sistemas DCS o controlador está associado a uma carta electrónica, na instrumentação em rede o controlador não tem identidade física, na medida em que é apenas um módulo de software que o projectista decide incorporar. Além disto este módulo pode ser instalado onde o projectista entender, por exemplo numa válvula de controlo, num caudalímetro ou em qualquer outro dispositivo. Será pois de esperar que a simbologia para os P&I contenha diferenças.

Não existe ainda simbologia normalizada para representar a instrumentação em rede num P&I, e as cadeias de controlo associadas. É corrente utilizar os desenhos convencionais aos quais se junta um pequeno quadrado com a indicação FF, como se mostra na Fig. 4.1.

Fig. 4.1 – Diagrama P&I - FF, de uma cadeia de controlo de caudal

De acordo com a ISA existe uma notação potencial para a instrumentação em rede, indicada na Fig. 4.2. Embora na figura não esteja indicado, por se tratar da representação de apenas uma cadeia de controlo, o P&I deverá continuar a incluir dados sobre o processo.

FT 301

FF

FV 301

FF

FIC301


Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentação Página 73

Fig. 4.2 – Diagrama P&I, FF, de uma cadeia de controlo de caudal, proposta ISA

4.3. Selecção dos Instrumentos.

A selecção dos instrumentos, do ponto de vista da parte dos sensores, é análoga à dos instrumentos convencionais [19].

A folha do instrumento deverá ainda incluir a seguinte informação adicional:

• tipo de sinal: Foundation Fieldbus, • alimentação local ou através da rede, • consumo máximo admitido, • blocos de funções a incluir, • capacidade de diagnóstico.

4.4. Estrutura da rede.

A estrutura de uma rede depende fundamentalmente da complexidade da unidade fabril onde vai ser instalada. O controlo de um sistema industrial poderá exigir a ligação ao processo em milhares de pontos, pelo que a instalação, e em particular a rede, terão que ser criteriosamente planeadas.

Tomando como exemplo uma unidade fabril ou fábrica, esta deverá ser dividida em níveis hierárquicos, de modo a que cada nível imediatamente inferior constitua uma unidade funcional bem individualizada. Cada uma destas unidades funcionais será sucessivamente dividida, de um modo análogo, até se chegar à instrumentação de campo.

Embora numa rede Fieldbus seja possível aceder de qualquer ponto da rede a qualquer instrumento, há níveis de acesso distintos, pelo que convirá efectuar uma divisão da rede seguindo a divisão funcional da fábrica, pelas razões seguintes:

FT 301

FF

FV 301

FF

FIC301 ••



• melhor acesso local à instrumentação, • melhor compreensão dos problemas locais, • facilidade na manutenção, • facilidade na programação de paragens. • divisão da responsabilidade,

Seguindo esta ordem de ideias, a divisão de redes será efectuada segundo a divisão funcional da fábrica, que tem uma certa semelhança com a colocação dos ficheiros em pastas num computador, como se indica na Fig.4.3.

Fábrica área 1 unidade funcional 1 cadeia 1 cadeia 2 ... cadeia p unidade funcional 2 ... unidade funcional m área 2 ... área n

Fig.4.3 – Divisão funcional de uma fábrica

Dentro de cada unidade funcional haverá vários tipos de equipamento:

• instrumentação de medida para variáveis contínuas, • instrumentação de medida para variáveis discretas (“ON/OFF”), • válvulas de controlo, • válvulas “ON/OFF”, • instrumentação intrinsecamente segura, • comando de motores de velocidade variável, • comando de motores de velocidade fixa, • instrumentação digital (exemplo: taquímetros e contadores de impulsos).

Será assim conveniente agrupar a instrumentação em rede de acordo com a forma com que este tipo de equipamento se encontra distribuído pela fábrica, e por tipo de equipamento.



Actualmente o protótipo Foundation Fieldbus já cobre directamente as entradas e saídas discretas binárias ("ON/OFF") (1), mas muitas vezes para este tipo de I/O utilizam-se Controladores Programáveis Lógicos (PLCs) que ligam ao sistema através da rede, como se mostra na Fig.4.4. Também é possível efectuar a multiplexagem de sinais de diversos tipos, consoante os módulos utilizados, e ligar o sinal multiplexado em rede, como se indica na mesma figura com o módulo representado por “MUX”.

Fig.4.4 – Utilização de PLC ou de multiplexer

Cada segmento interliga vários instrumentos, ao mesmo tempo que os alimenta com energia eléctrica. Os instrumentos são todos ligados em paralelo, e em cada um destes segmentos de rede apenas podem ser utilizados dispositivos com o protocolo H1. Poderá haver instrumentação com alimentação independente ligada à rede H1. Neste caso serão necessários condutores de alimentação independentes, como se mostra com o instrumento 1 da Fig.4.4.

O número máximo de dispositivos que é possível ligar em cada segmento é:

• 12 a 16 dispositivos/segmento(2) – para instrumentação normal • 4 a 6 dispositivos/segmento – para instrumentação intrinsecamente segura.

O comprimento máximo de cada segmento, incluindo as derivações, é de 1900 m. No caso de se pretender utilizar mais dispositivos do que aqueles que se acabam de indicar é possível efectuar a extensão dos segmentos utilizando repetidores. Poderão ser utilizados até ao máximo de 4 repetidores a ligar segmentos, podendo assim efectuar-se a extensão de uma rede até ficar com o comprimento máximo de 9 500 metros (ver adiante, secção 4.7).

1 O dispositivo de campo para entradas/saídas discretas é designado na SMAR por DC302. 2 Dependente da tensão de alimentação da rede, da secção do cabo e do seu comprimento.

Estação de operação


Rede Fieldbus Fonte de alimentação Terminação

Entradas-saídas analógicas e “on/off”

PLC MUXalimentação

independente

1

Entradas-saídas analógicas e “on/off”



4.5. Arquitectura dos segmentos H1.

As diversas topologias que se apresentam a seguir são essencialmente variações da mesma forma de ligar os instrumentos em paralelo. São possíveis as topologias em barramento, em árvore, em margarida e ponto a ponto.

4.5.1. Ligação em barramento (bus)

Nesta topologia, indicada na Fig.4.5, existe uma linha principal do qual partem derivações (spurs), uma por cada instrumento. Recomenda-se que cada derivação tenha até um máximo de 120 m de comprimento.

Fig.4.5 – Topologia em barramento

4.5.2. Ligação em árvore (tree)

Nesta topologia, indicada na Fig.4.6, as derivações para cada instrumento partem todas do mesmo ponto. Cada ramo ou derivação poderá ter até um máximo de 120 m de comprimento.

Fig.4.6 – Topologia em árvore

Instrumentação de campo Fonte de

alimentação

Terminação

o o +

-

+

-

+••

+

-

+

-

derivações →

. . .

. . .

ramo principal

oo

+

-

o o

oo

. . .


Fonte de alimentação Terminação

o o +

- -

+ o o

o o + -

• •

. . .

. . . ← derivação

o o+-

••

o o+-

••

ramo principal



4.5.3. Ligação em margarida (daisy)

Na topologia em margarida, indicada na Fig.4.7, o cabo de interligação vai directamente de instrumento a instrumento, sendo a repicagem efectuada no próprio instrumento. É preciso ter atenção à entrada/saída dos cabos de rede na caixa de protecção do instrumento, que deverá ser efectuada por uma única abertura, a fim de se poder retirar o instrumento sem ter que interromper a rede.

Fig.4.7 – Topologia em margarida

4.5.4. Terminações

A finalidade da terminação é fazer com que não haja reflexões do sinal quando este atinge o fim da linha de transmissão. As reflexões são indesejadas porque podem ser interpretadas pelos instrumentos como sendo sinais reais, o que poderá confundir o sistema e afectar o seu desempenho.

Como é conhecido do domínio das telecomunicações, um sinal que se propague numa linha de transmissão com impedância característica Z0, ao chegar ao fim da linha carregada com ZL, será:

• reflectido, mantendo a polaridade, se |Z0| < |ZL|, • completamente absorvido pela carga, se |Z0| = |ZL|; neste caso não há reflexão, • reflectido, invertendo a polaridade, se |Z0| > |ZL|.

Por esta razão é importante a linha de rede seja terminada de ambos os lados com uma carga igual à sua impedância característica. Deste modo não haverá sinais reflectidos. Chama-se a atenção para o facto de ser importante respeitar este procedimento, caso contrário poderá haver uma degradação no desempenho da rede, ou esta poderá mesmo não funcionar. Deverá pois haver duas terminações, uma de cada lado da rede. A terminação utilizada é constituída por uma resistência de 100 Ω em série com um condensador de 1 µF. Para o sinal de 31.25 kbits/s este circuito é equivalente a uma impedância de 100-5j Ω, cujo módulo é aproximadamente 100 Ω. A finalidade do condensador é não curto-circuitar a tensão contínua de alimentação.


Rede FieldBus

Fonte de alimentação Terminação

o o +

- o o + - -

+ o o

. . .

. . . o o+- o o+-



Do lado da fonte a terminação ou é incorporada na fonte ou instalada exteriormente, incluída num módulo chamado “power supply impedance”, que tem a finalidade adicional de evitar que a fonte curto-circuite o sinal.

4.5.5. Fonte de alimentação e impedância da FA

No caso de se utilizarem fontes de alimentação correntes, estas deverão ter uma saída de 24/32 V e deverão poder fornecer a corrente de 1.5 A. Neste caso a fonte deverá ser ligada a uma “power supply impedance, (PSI)”, que actua como separador entre a fonte e a rede que alimenta: a energia de alimentação passa da fonte para a rede através da PSI, mas os sinais de comunicação são bloqueados pela PSI, não podendo atingir a fonte. Além disso a PSI contém uma terminação de rede, que poderá ser usada ou não, consoante as ligações que se efectuem.

4.5.6. Caixas de junção

Para efectuar a ligação das derivações de uma rede não são exigidos terminais especiais. No entanto os pontos em que as derivações são efectuadas, como em qualquer outra instalação industrial, deverão estar protegidos, pelo que se recomenda que as derivações sejam feitas no interior de caixas de junção. No caso da ligação ser em margarida é conveniente a utilização de terminais que permitam retirar o equipamento da rede sem interromper a continuidade desta. Além disto os dois ramos do cabo devem entrar para o instrumento através do mesmo orifício, para que este, além de poder ser desligado possa também ser retirado do local. 4.6. Localização dos transmissores.

A forma mais expedita de instalar os transmissores é junto ao elemento primário, formando deste modo o sensor um todo fisicamente único. É aliás este o conceito associado ao Fieldbus. Isto acontece em quase todos os transmissores de pressão, em que o elemento sensor está acoplado ao transmissor. Verifica-se também nas válvulas de controlo, em que o posicionador é mecanicamente acoplado à válvula. No entanto, em muitos casos práticos tal tipo de instalação poderá não ser possível, nomeadamente devido a:

• Localização do elemento primário em ambiente exposto a factores ambientais adversos, como sejam temperaturas elevadas, agentes químicos corrosivos, humidade ou vibrações, factores estes que poderão reduzir a precisão e a vida do transmissor,

• Localização do elemento primário em local de difícil acesso,

• Falta de espaço para localização do transmissor.

1. Acção da temperatura:



Nos casos em que tal for necessário, os transmissores poderão ser colocados a alguma distância dos respectivos elementos primários. Como medidas de protecção do equipamento contra o calor deverá observar-se o seguinte:

• Deverá ser instalado em locais protegidos de grandes variações térmicas; • Não permitir em permanência a exposição directa do transmissor ao raios solares. • Evitar a instalação junto de reservatórios com temperaturas elevadas, de fornalhas,

gases quentes, etc.

Se estas exigências não forem possíveis de satisfazer, deverá instalar-se o transmissor com uma placa de protecção ou com um colar de arrefecimento. 2. Humidade: Os "O-rings" das caixas de protecção, deverão estar colocados correctamente e as tampas apertadas até sentir a compressão do “O-ring”. Não apertar as tampas com ferramentas. Abrir o transmissor no campo só quando absolutamente necessário, para não expor os circuitos electrónicos à humidade. Fechar as entradas de cabos não usadas. O transmissor quando não ligado directamente aos sensores pode ser instalado abraçado a uma tubagem 2 polegadas, fixado numa parede ou num painel ou colocado no interior de uma caixa de junção. A montagem do transmissor pode ser efectuada em várias posições. Convém em todos os casos deixar o “display” de modo a ler-se na horizontal. Note-se que os indicadores dos transmissores têm várias posições de montagem.

4.7. Cabos. Secções e comprimentos.

Os cabos recomendados por um dos fabricantes de instrumentação em rede, para utilização nos segmentos de rede a nível de campo, encontram-se indicados no quadro abaixo. Da observação do quadro conclui-se que para ligar instrumentos a uma distância grande é essencial que o cabo seja entrançado e blindado. Também se conclui que para instalações locais, com distâncias da ordem da dezena de metros, não é importante o tipo de cabo.

Tipo Nº de

pares Entrançado Blindado Secção Comprimento

máximo Atenuação

do sinal

A Simples Sim Sim AWG 18 0,80 mm2 1900 m 3 dB/km B Múltiplo Sim Sim AWG 22 0,32 mm2 1200 m 5 dB/km C Múltiplo Sim Não AWG 26 0,13 mm2 400 m 8 dB/km D Múltiplo Não Sim AWG 16 1,25 mm2 200 m 8 dB/km Os cabos, quando blindados, deverão ter o condutor de blindagem ligado à terra em apenas um ponto.



Sempre que seja necessário ligar instrumentos num segmento com mais de 1900 m, poderão utilizar-se repetidores, até um máximo de 4 repetidores, como se mostra na Fig.4.8.

Fig.4.8 – Uso de repetidores num segmento de rede H1

4.8. Instrumentação intrinsecamente segura.

No caso de haver atmosferas explosivas, onde devido à classificação da área seja obrigatória a utilização de barreiras de segurança, há barreiras específicas para utilização com a rede FF. Na figura seguinte encontra-se representada uma dessas barreiras. O número de instrumentos de campo fica reduzido a um máximo de 6 por segmento de rede. Repare-se que a barreira separa todo o segmento de rede, e não apenas um instrumento em particular.

Fig.4.9 – Barreira de segurança para uso num segmento de rede H1

REP1 REP2 REP3 REP4 1900 m 1900 m 1900 m 1900 m 1900 m

Transmissores

ZONA CLASSIFICADA – ATMOSFERA EXPLOSIVA

ZONA SEGURA

Fonte de Alimentação = 24 V, ± 5%

+ –

Instrumentação

Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇ ÃO E CONTROLO INDUSTRIAL

Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentaçã o Pá gina 81

4.9. Redundâ ncia nos troços de rede

O sistema FF permite a utilizaç ão de redundância de diversos tipos nos troç os da rede. Na Fig.4.10 mostra-se um segmento de rede com redundância na fonte de alimentaç ão. Na Fig.4.11 apresenta-se o mesmo segmento de rede com redundância da “power supply impedance"

Fig.4.10 – Segmento de rede H1 com fonte de alimentaç ão redundante

Fig.4.11 – Segmento de rede H1 com adaptador redundante

ESTAÇ ÃO DE

OPERAÇ ÃO

SEGMENTO DE REDE TERMINAÇ ÃO

INTERFACE COM O PROCESSO

FONTE DE ALIMENTAÇ ÃO

ADAPTADOR DA FONTE DE

ALIMENTAÇ ÃO

TERMINA Ç ÃO

DISPOSITIVOS DE CAMPO

SEGMENTO DE REDE TERMINAÇ ÃO



ADAPTADOR DA FONTE DE ALIMENTAÇ ÃO

TERMINA Ç ÃO


ESTAÇ ÃO DE

OPERAÇ ÃO

PDF created with FinePrint pdfFactory Pro trial version http://www.fineprint.com

http://www.fineprint.com

AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇ ÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva

Pá gina 82 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentaçã o Março de 2004

Na Fig.4.12 existe redundância para a fonte de alimentaç ão do segmento de rede, do adaptador da fonte e do próprio segmento de rede. Repare-se que nesta configuraç ão a rede pode ser cortada (corte indicado pela linha oblíqua), que esta continua a ser alimentada e a comunicar com as estaç õ es de operaç ão. Para esta configuraç ão é necessária a utilizaç ão de duas cartas de interface com o processo, uma em cada estaç ão. Também é necessário configurar pelo menos dois dos dispositivos como “ link master”, localizados preferencialmente nas extremidades da rede.

Fig.4.12 – Segmento de rede H1 com fonte de alimentaç ão, adaptador e PCI redundantes

4.10. Utilização de vá rios troços de rede

Numa rede em que se utilizem mais do que uma meia dúzia de dispositivos de campo, como acontece em qualquer rede industrial, há necessidade de interligar os diversos troç os de rede.

No caso em que existe um número relativamente pequeno de segmentos de rede, da ordem de uma ou duas dezenas, a soluç ão mais expedita consiste em ligar cada segmento de rede a um dos canais de entrada da carta de interface com o processo, PCI. Uma vez que cada carta PCI dispõ e de 4 canais de Entrada/Saída e que é possível utilizar até 8 carta desta num “bus” de PC, vê-se que é deste modo possível, apenas com uma estaç ão de operaç ão, interligar até um máximo de 32 segmentos de rede. Na Fig.4.13 encontra-se representado esquematicamente uma ligaç ão deste tipo. Notar que qualquer dos segmentos comporta até um máximo de 16 dispositivos de campo, ou até 4 se houver barreiras de seguranç a.

SEGMENTO DE REDE



ADAPTADOR DA F.A.


ESTAÇ ÃO DE OPERAÇ ÃO



ADAPTADOR DA F.A.




Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇ ÃO E CONTROLO INDUSTRIAL

Março de 2004 Capítulo 4 – Projecto de Redes de Instrumentaçã o Pá gina 83

Fig.4.13 – Ligaç ão de vários segmentos de rede por meio de cartas PCI

Uma outra forma de interligar os segmentos de rede, bastante mais eficiente na medida em que permite a utilizaç ão de muito mais segmentos de rede H1 que a configuraç ão anterior, várias estaç õ es de operaç ão e de equipamento que não seja Foundation Fieldbus, consiste na utilizaç ão de pontes de interface. Uma ponte consiste num interface que permite ligar a uma rede Fieldbus HSE ( equivalente à rede Ethernet) um conjunto muito variado de grupos de dispositivos, como por exemplo redes Fieldbus, PLCs, módulos de entradas/saídas discretas e computadores. Na Fig.4.14 representa-se de uma forma genérica uma rede Fieldbus HSE interligada a diversas estaç õ es de operaç ão e a várias redes H1.


INTERFACES COM O PROCESSO (Max. 8)

(Max. 4 canais/ Interface)

Instrumentos de Campo




Fonte de Alim. adapatador




Term.

Term.

Term. Term.

Term.

Term.

Term.

Term.



Fig.4.14 – Ligaç ão de vários segmentos de rede por meio de pontes

PONTES PONTES PONTES

PONTE

Estaçã o de Operaçã o



Rede HSE

Rede HSE

Rede H1 Rede H1 Rede H1

Rede H1 Rede H1




Rede H1



5. TRABALHO EXPERIMENTAL –

– APLICAÇÃO A UM TANQUE 5.1. Objectivo e trabalho realizado

É objectivo deste trabalho desenvolver a utilização de instrumentação em rede em processos industriais, analisar o seu desempenho, tirar conclusões e fazer recomendações sobre o uso da referida instrumentação. Para este efeito, e em parte com equipamentos já existentes no Laboratório de Instrumentação da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, construiu-se um pequeno processo industrial no qual se instalou instrumentação da “Foundation Fieldbus”. Procurou observar-se o comportamento da instrumentação individualmente e em grupo. Para este último efeito criou-se uma estratégia de operação através da qual podem ser controladas algumas das variáveis mais correntes na indústria: pressão, temperatura, nível e caudal. Tiraram-se algumas conclusões sobre o uso da instrumentação em rede em processos industriais, que irão servir de base a recomendações sobre a sua utilização.

5.2. Descrição do processo

O processo utilizado neste trabalho é constituído por um reservatório fechado contendo água e ar. O reservatório é alimentado com água de temperatura controlada e pode fornecer água com caudal controlado. Pretende-se também manter constantes o nível da água no interior do tanque, e a sua pressão.

O tanque é cilíndrico, de ferro, e tem as seguintes características:

Diâmetro – 510 mm, altura – 1180 mm, espessura da parede – 6 mm Capacidade – 240 litros, pressão: nominal – 11.0 Bar, máxima – 18.5 Bar

A alimentação de água ao tanque é feita por meio de tubo de PVC de ½ ‘A saída de água morna faz-se por meio de tubo PVC de 1‘.

Foi instalada a seguinte instrumentação de medida local:

Indicador da pressão do ar no interior do tanque (disponível no laboratório). Indicador da pressão de água da rede (disponível no laboratório). Caudalímetro da água de entrada (disponível no laboratório). Tubo de visualização do nível (construído com um tubo acrílico e uma fita métrica).

Como medida de protecção, que é obrigatória sempre que se trabalha com reservatórios pressurizados, instalou-se no topo do tanque uma válvula de segurança. Instalou-se também um sensor de nível “on/off”, ligado a uma electroválvula que corta a alimentação de água se o nível atingir um máximo. O tanque e a instrumentação de medida e de controlo associadas foram instalados sobre um suporte de ferro. O conjunto é mostrado na Fig. 5.1, sendo a instrumentação em rede que se utilizou descrita na secção 5.3.


Página 86 Capítulo 5 – Trabalho Experimental – Aplicação a um Tanque Março de 2004

Fig. 5.1 – Aspecto geral do processo e instrumentação

14

13

12

15

9

21

16

18

25

2

5 6

7 8

11

4

1

3

10

19

222324

17

20


Março de 2004 Capítulo 5 – Trabalho Experimental – Aplicação a um Tanque Página 87

Legenda da Fig. 5.1

1 – Reservatório de 240 litros. 2 – Tubo de visualização, indicador local de nível. 3 – Sensor de nível, “on/off”, por condutividade. 4 – Entrada de água no reservatório. 5 – Indicador de pressão de ar, local. 6 – Válvula de segurança, regulada para 3 kg/cm2. 7 – Válvula de admissão da água. 8 – Indicador da pressão da água de entrada, local. 9 – Transmissor FF da pressão do ar.

10 – Caudalímetro de água de entrada. 11 – Aquecedor para a água, eléctrico. 12 – Conversor FF → 3 canais de corrente de 4-20 mA. 13 – Conversor 3 canais de corrente de 4-20 mA → FF. 14 – Transmissor de temperatura, FF. 15 – Transmissor da pressão da água de alimentação, FF. 16 – Posicionador FF da válvula de admissão de água. 17 – Redutor da pressão do ar de alimentação dos instrumentos. 18 – Transmissor de pressão diferencial, 4-20 mA, associado à medição do nível. 19 – Caudalímetro da água de alimentação. 20 – Válvula de água de saída, pneumática, com posicionador FF. 21 – Posicionador FF da válvula de água de saída. 22 – Transmissor de pressão diferencial, 4-20 mA, associado à medição do caudal de

saída. 23 – Orifício calibrado para medição do caudal de saída. 24 – Saída da água do reservatório. 25 – Termo-resistência para medição da temperatura da água no reservatório.



5.3. P&I e instrumentação utilizada No reservatório utilizaram-se 4 tipos de instrumentos de medida e controlo: locais, analógicos pneumáticos, analógicos electrónicos e exclusivamente digitais, além de conversores.

A instrumentação digital aplicada destina-se a ser ligada em rede e utiliza o protocolo de comunicação H1 da Foundation Fieldbus, que é o utilizado a nível de campo. Utilizaram-se alguns instrumentos analógicos uma vez que para visualizar e controlar as variáveis pretendidas não se dispunha de toda a instrumentação necessária, com este protocolo. Este facto permitiu ainda observar o comportamento do sistema com instrumentação mista. Os instrumentos de medida e controlo utilizados foram (referências da Fig. 5.1):

Instrumentos “Foundation Fieldbus”

Fieldbus temperature transmitter, Smar (14). Fieldbus pressure transmitter, Smar (9, 15). Fieldbus valve position transducer, Smar (16, 21). Triple channel current to fieldbus converter, Smar (13). Triple channel Fieldbus to current converter, Smar (12).

Instrumentos analógicos

Válvulas de controlo, Sart von Rohr SA (atrás do fundo de 11 e de 20). Transmissor de pressão diferencial, 0 – 50 cmca / 4-20 mA (18). Conversor, resistência variável / 4 – 20 mA, GEMU Gebr. Muller (atrás de 10). Orifício, construção Lab IC EST, 0 – 1 l/s / 0 – 60 kPa (23). Transmissor de pressão diferencial, 0 – 60 kPa / 4 – 20 mA (22).

Instrumentos locais

Tubo de visualização, construção Lab IC EST, 0 – 50 cm (2). Indicador de pressão, Nueva FIMA, 0 – 60 PSI (5). Indicador de pressão, KENT ClearWay, 0 – 10 Bar (8). Caudalímetro, área variável, GEMU Gebr. Muller, 0 200 l/hr (10). Sensor de nível, “on/off”, de condutividade, construção Lab IC EST, 0/24 V (3). Válvula de segurança, regulada para 3 kg/cm2 (6).

Na página seguinte encontra-se representado o diagrama P&I do processo.

Fig. 5.2 – P&I do tanque

PV

→

½ “

água fria

água controlada

½ “

segurança

Ar

Água

A I

LIC05

IF302-2

A I

TIC04

TT302

PIC03 A I

PI03

A O

FV03

LD302

FI302-2

¼ ”→ ar

PI D A I

TI04-PO

1 “

FIC01

FY302

AO

FV01

A I

IF302-1

PI D

FI01

IF302-3

FIC02

FI02

FV02

←

A O

PI D

FY302

ag. q

uent

e LD302

A I

PI06 FV07

LS07 (local)

PI D

Permutador de calor

A O

Con-tactor

FI302-1

SP LI05-SP

SPG

LIC05

TIC04

LI05-PV

1/4 “ ←

escape de arPI03-SP

PV

LI 04

FV08

←

←

→

Valv_fria

Valv_saída

IF_Conv

Press_ar

PO BLK

BLK

LS07

FV07 FI_Conv

Press_agua

PID

FY302

POPOBLK

BLK

BLK

TY04



5.4. Instrumentação analógica

Uma vez que não se dispunha de toda a instrumentação digital, houve necessidade de utilizar alguma instrumentação analógica, que foi incluída na rede com o auxílio de conversores. Basicamente usaram-se os seguintes sinais analógicos: • Caudal de saída – medido por meio de um orifício, cuja pressão diferencial foi convertida

numa corrente eléctrica de 4-20 mA por meio de um transmissor electrónico (FI01), que por sua vez foi ligado ao canal 1 de um conversor corrente/Fieldbus (IF302).

• Nível do tanque – medido por meio de um transmissor de pressão diferencial electrónico (LI04), cuja saída foi ligada ao canal 2 do conversor anterior.

• Caudal de entrada – medido por meio de um rotâmetro, associado a um conversor magneto-resistivo (FI02), cuja saída foi ligada ao canal 3 do mesmo conversor.

• Temperatura da água – controlada através de um aquecedor eléctrico “on/off”, cujo contactor (TY04) é actuado por meio de um conversor corrente/tensão construído no Laboratório de Instrumentação. A corrente para este dispositivo é proveniente do canal 1 de um conversor Fieldbus/corrente (FI302).

5.4.1. Caudal de saída, FI01

O caudalímetro é constituído por um orifício ligado a um transmissor de pressão diferencial. O orifício foi projectado e construído no Laboratório de Instrumentação da EST. É um disco acrílico com um orifício interno de 15,0 mm de diâmetro, colocado entre duas flanges DN25. Colocaram-se duas tomadas de pressão, imediatamente antes e imediatamente depois do orifício. A calibração foi feita por variação do nível do tanque em intervalos de tempo conhecidos. Com o auxílio de um registador num ensaio, e de um “data logger” noutro, registaram-se os valores do nível e da pressão diferencial tendo-se obtido uma gama de saída de 0-60 kPa para a gama de caudal de 0 a 0.95 / sl . A curva de calibração do orifício é quadrática, Q k p= ∆ .

O transmissor de pressão (linear) para o orifício, existente no Laboratório, foi calibrado para se obter uma saída de 4-20 mA, para a entrada de 0 a 66,48 kPa [66,48=60/(0,95)2]. Deste modo a calibração do caudalímetro ficou 0-1.00 / sl <> 4-20 mA.

5.4.2. Nível do tanque, LI04

O nível do reservatório consta de um indicador local do tipo “tubo de visualização”, construído no Laboratório de Instrumentação. Nos extremos inferior e superior do tubo colocaram-se duas tomadas de pressão, que foram ligadas a um transmissor de pressão diferencial, analógico, existente no Laboratório. O transmissor de pressão foi calibrado para 0-40 cm <> 4-20 mA.



5.4.3. Caudal de entrada, FI02

O caudalímetro da água de alimentação do reservatório consta de um indicador local do tipo “rotâmetro”, existente no Laboratório. Este indicador tem acoplado um transmissor magneto- -resistivo, com saída em corrente. O indicador local tem uma escala graduada, dada pelo fabricante, para água a 20ºC, de 0-260 / hl . No circuito, devido às restrições na secção da tubagem do aquecedor (também existente no Laboratório), não se conseguiu obter mais do que 220 / hl , pelo que o transmissor foi calibrado para 0-220 / hl <> 0-20 mA (o transmissor não oferece a opção de 4-20 mA).

5.4.4. Temperatura da água, TY04

Para controlar a temperatura da água utilizou-se um aquecedor eléctrico, existente no Laboratório de Instrumentação. Este aquecedor, trifásico, apenas trabalha em regime “on/off”, tendo um consumo de 19 A por fase, a que corresponde uma potência total de 12.5 kW. O controlo de temperatura é pois do tipo liga/desliga. Adquiriu-se um contactor trifásico, com bobina de 24 V contínuos. Para actuar o contactor construiu-se um pequeno conversor electrónico com entrada de 4-20 mA e saída 0/24 V. Este circuito, construído no Laboratório de Instrumentação e Medida, foi projectado com histerese, para evitar ligar/desligar o contactor frequentemente. 5.5. Configuração da Instrumentação digital

A configuração da instrumentação digital depende não só das grandezas a medir mas também da estratégia de controlo que se utiliza. Com efeito os blocos de funções podem ser colocados em qualquer instrumento, pelo que a sua inclusão, e respectiva configuração, dependerá da estratégia de controlo a utilizar. Uma vez que mentalmente se associa o controlo de uma variável à própria válvula de controlo, optou-se por colocar os controladores nas válvulas em que estes vão actuar. No entanto tal nem sempre é possível, por exemplo por não haver válvula de controlo. É o que acontece com o controlo de temperatura neste processo, em que existe um aquecedor em regime liga/desliga. Poderia optar-se por incluir o controlador PID usado no próprio sensor de temperatura. Optou-se no entanto por colocá-lo no conversor FI302 que origina o sinal de saída.

5.5.1. Temperatura da água

Sensor: Termo-resistência PT100. Transmissor: Smar, TT302, Fieldbus Temperature Transmiter, Serial Nr. 2748, com indicador local incorporado. Ligação da termo-resistência: Ligação a dois fios, uma vez que se trata de uma distância muito pequena (cerca de dois metros), como indicado na Fig.2.26.



Configuração do transmissor (blocos utilizados e sua parametrização):

Bloco de recursos MODE_BLK – target: auto

Bloco transdutor de entrada, temperatura MODE_BLK, target: auto SENSOR_TRANSDUCER_NUMBER – 1 SENSOR_TYPE – Pt 100 IEC SENSOR_CONNECTION – two wires

Bloco de entrada analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 1 L_TYPE – direct

Bloco de visualização MODE_BLK, target: auto BLOCK_TAG_PARAM – Temper_AI INDEX_RELATIVE – 6. SUB_INDEX – 2. MNEMONIC – TEMPT. INC_DEC – 0.01. DECIMAL_POINT_NUMBER –2. ACCESS – monitoring. ALPHA_NUM – value. DISPLAY_REFRESH – Update.

5.5.2. Pressão do ar

Sensor de pressão, Smar, modelo LD302, Fieldbus Pressure Transmitter, Serial Nr. 4486. Elemento sensor Gama – 25 to 1000” H2O

Pressão máxima – 2300 PSI Enchimento – Silicone Oil Material – 316 LSS

Transmissor com indicador local incorporado.



Bloco transdutor de entrada, pressão MODE_BLK, target: auto



Bloco de entrada analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 1 L_TYPE – indirect

Bloco de visualização MODE_BLK, target: auto BLOCK_TAG_PARAM – Press_ar. INDEX_RELATIVE – 6. SUB_INDEX – 2. MNEMONIC – PR_AR. INC_DEC – 0.01. DECIMAL_POINT_NUMBER –2. ACCESS – monitoring. ALPHA_NUM – value. DISPLAY_REFRESH – Update.

5.5.3. Pressão da água de alimentação

Sensor de pressão, Smar, modelo LD302, Fieldbus Pressure Transmitter, Serial Nr. 4485.

Elemento sensor: igual ao anterior, também com transmissor com indicador local incorporado.


Bloco de recursos – igual ao anterior.

Bloco transdutor de entrada, pressão – igual ao anterior.

Bloco de entrada analógica – igual ao anterior.

Bloco de visualização

MODE_BLK, target – auto BLOCK_TAG_PARAM – Press_agua. INDEX_RELATIVE – 6. SUB_INDEX – 2. MNEMONIC – PR_AG. INC_DEC – 0.01. DECIMAL_POINT_NUMBER –2. ACCESS – monitoring. ALPHA_NUM – value. DISPLAY_REFRESH – Update.



5.5.4. Conversor IF

Conversor Smar, modelo IF302, Triple Channel Current to Fieldbus Converter Serial Nr 937, com indicador local incorporado, ID 0003020003-SMAR-IF302-800476 Neste conversor, que foi designado por Conv_IF, foram utilizados os 3 canais de entrada, com a seguinte atribuição:

Canal nº Variável Ligação (Fig.2.28) Calibração

1 Caudal de saída, FI01 4-20 mA, com alimentação de 24 V externa

4-20 mA <> 0-1 l/s

2 Nível do reservatório, LI05 4-20 mA, com alimentação de 24 V externa

4-20 mA <> 0-40 cm

3 Caudal de entrada, FI02 0-20 mA fornecidos pelo transmissor analógico

0-20 mA <> 0-220 l/h

Uma vez que este conversor recebe sinais provenientes de sensores analógicos, houve necessidade prévia de efectuar a sua calibração. Os procedimentos adoptados e os resultados obtidos encontram-se indicados na secção 5.4. Configuração do conversor (blocos utilizados e sua parametrização):


1º Bloco transdutor de entrada, caudal de saída MODE_BLK, target: auto TERMINAL_NR – 1

2º Bloco transdutor de entrada, nível do tanque MODE_BLK, target: auto TERMINAL_NR – 2

3º Bloco transdutor de entrada, caudal de entrada MODE_BLK, target: auto TERMINAL_NR – 3

1º Bloco de entrada analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 1 L_TYPE – indirect square root OUT_SCALE – EU100: 1 EU0: 0 UNITS_INDEX: l/s PV_TIME – 0.8



2º Bloco de entrada analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 2 L_TYPE – indirect OUT_SCALE – EU100: 40 EU0: 0 UNITS_INDEX: cm

3º Bloco de entrada analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 3 L_TYPE – indirect OUT_SCALE – EU100: 220 EU0: 0 UNITS_INDEX – l/h

Bloco de visualização MODE_BLK, target: auto

BLOCK_TAG_PARAM_1 – IF_Conv_AI1 INDEX_RELATIVE_1 – 8 SUB_INDEX_1 – 2 MNEMONIC_1 – L/S (usaram-se maiúsculas para se ver bem no “display”) INC_DEC_1 – 0.01 DECIMAL_POINT_NUMBER_1 –2 ACCESS_1 – monitoring ALPHA_NUM_1 – value

BLOCK_TAG_PARAM_2 – IF_Conv _AI2 INDEX_RELATIVE_2 – 8 SUB_INDEX_2 – 2 MNEMONIC_2 – CM (usaram-se maiúsculas para se ver bem no “display”) INC_DEC_2 – 0.01 DECIMAL_POINT_NUMBER_2 –2 ACCESS_2 – monitoring ALPHA_NUM_2 – value

BLOCK_TAG_PARAM_3 – IF_Conv _AI3 INDEX_RELATIVE_3 – 8 SUB_INDEX_3 – 2 MNEMONIC_3 – L/H (usaram-se maiúsculas para se ver bem no “display”) INC_DEC_3 – 0.01 DECIMAL_POINT_NUMBER_1 –2 ACCESS_3 – monitoring ALPHA_NUM_3 – value

DISPLAY_REFRESH – update



Na Fig. 5.3 apresentam-se a os parâmetros de configuração que em determinado momento foram introduzidos neste conversor, tal como obtidos a partir do sistema. Os parâmetros internos estão precedidos por um losango. Correspondem a alguns dos que se acabaram de descrever. Há outros parâmetros precedidos por uma seta: indicam variáveis que estão ligadas a outros blocos, do mesmo ou de outro instrumento. Entre parêntesis está indicado o “link”, para onde vai ou de onde vem. A forma de efectuar estas ligações está descrita à frente na secção 5.6, no desenvolvimento da estratégia.

Fig. 5.3 – Configuração do conversor I/F



5.5.5. Conversor FI

Conversor Smar, modelo FI302, Triple Channel Fieldbus to Current Converter, Serial Nr 1149, com indicador local incorporado. ID 0003020005-SMAR-FI302-800619

Neste conversor, que foi designado por Conv_FI, foi utilizado apenas o 1º canal de saída. No entanto, numa fase intermédia utilizou-se também o 2º canal, com o qual se controlou uma válvula com entrada analógica de 4-20 mA.

Canal nº Variável Ligação (Fig.2.30) Calibração

1 Temperatura da água (contactor TY04)

4-20 mA, com alimentação de 24 V externa

4-20 mA <> 0/24 V <> On/Off

2 Válvula analógica 4-20 mA, com alimentação de 24 V externa

4-20 mA <> 0-100 %

3 (não usado)

As características de entrada do contactor encontram-se descritas na secção 5.4.4.

Configuração do conversor (blocos utilizados e sua parametrização):


1º Bloco transdutor de saída, Contactor temperatura MODE_BLK, target: auto TERMINAL_NR – 1

2º Bloco transdutor de saída, Válvula de ar MODE_BLK, target: auto TERMINAL_NR – 2

1º Bloco de saída analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 1

2º Bloco de saída analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 2

Bloco de visualização MODE_BLK, target: auto BLOCK_TAG_PARAM_1 – FI302_Trd1 INDEX_RELATIVE_1 – 13 SUB_INDEX_1 – 2 MNEMONIC_1 – CCTOR INC_DEC_1 – 1



DECIMAL_POINT_NUMBER_1 –0 ACCESS_1 – monitoring ALPHA_NUM_1 – value

BLOCK_TAG_PARAM_2 – FI302_Trd2 INDEX_RELATIVE_2 – 13 SUB_INDEX_2 – 2 MNEMONIC_2 – VV-AR INC_DEC_2 – 0.01 DECIMAL_POINT_NUMBER_2 –2 ACCESS_2 – monitoring ALPHA_NUM_2 – mnemonic

DISPLAY_REFRESH – Update

5.5.6. Válvula de saída

Corpo: Marca Sart, diâmetro 1 “. Actuador: Marca Sart, pneumático. Posicionador: FY302 – Fieldbus Valve Position Serial Nr. 3503. Nota: No posicionador das válvulas a peça que suporta o magneto do sensor de posição (por efeito de Hall) não era a adequada, pelo que foi necessário construir um suporte novo no Laboratório de Instrumentação.

Configuração do posicionador (blocos utilizados e sua parametrização):


Bloco transdutor MODE_BLK, target: auto VALVE_TYPE, linear

Bloco de saída analógica MODE_BLK, target: auto CHANNEL – 1

Bloco de visualização MODE_BLK, target – auto BLOCK_TAG_PARAM – Valv_saida_trd INDEX_RELATIVE – 17 SUB_INDEX – 2 MNEMONIC – POSIC INC_DEC – 0.01 DECIMAL_POINT_NUMBER –2 ACCESS – monitoring



ALPHA_NUM – mnemonic DISPLAY_REFRESH – Update

Após a instalação da válvula e do suporte do magneto para o sensor de posição foi necessário calibrar a válvula. Para o efeito deve seguir-se o procedimento, indicado pelo fabricante:

1º Coloca-se o magneto de forma a percorrer fisicamente as marcas inscritas na válvula, na situação em que ela está aberta e na situação em que está fechada.

2º Com o auxílio do ar de instrumentação coloca-se a válvula a 0 %. Introduz-se o valor lido no display no parâmetro CAL_ZERO.

3º Faz-se o “disable” do parâmetro CAL_ENABLE. 4º Coloca-se a válvula a 100 %. Introduz-se o novo valor lido no display no parâmetro CAL_100.

A válvula fica assim calibrada, ficando a indicar 0 % quando completamente fechada e 100 % quando completamente aberta.

Apresentam-se a seguir os parâmetros introduzidos para a válvula, tal como obtido do sistema.

(continua)



Fig. 5.4 – Configuração da válvula da saída

Qualquer dos blocos de um instrumento contém parâmetros padrão. A parametrização que acaba de se descrever corresponde a alterações pretendidas, por não corresponderem ao padrão. Após a sua introdução no computador, deverá ser efectuado o “download” dos parâmetros, para os instrumentos. Os parâmetros que foram modificados, e o seu valor, podem ser obtidos efectuando a consulta “off-line” dos mesmos. Para obter a relação de todos os parâmetros existentes num bloco, bem como os seus valores, deverá efectuar-se a consulta “online”. Qualquer parâmetro pode ser modificado “online”. Quando tal é feito o valor é enviado para o instrumento e entra imediatamente em vigor. Apresenta-se a seguir a parametrização “online” do transdutor da válvula de saída, tal como apresentada no sistema.

(continua)



(continua)



Fig. 5.5 – Parametrização do transdutor da válvula de saída

5.5.7. Válvula de água fria

Esta válvula difere da anterior apenas no diâmetro, que é de ½ “. Para ela houve também necessidade de construir um suporte para o magneto do sensor de posição. A parametrização do posicionador é análoga à do posicionador da válvula de saída.

5.5.8. Lista de dispositivos activos

É possível consultar, no sistema, a lista de dispositivos activos na rede. O sistema faz a sua detecção automaticamente (Fig. 5.6). Note-se a existência do dispositivo indicado na última linha. Trata-se da carta instalada no computador, e que permite efectuar a comunicação entre este e a rede. Este dispositivo foi declarado como “link master”, tendo os restantes dispositivos sido declarados como “basic devices” (ver os conceitos na secção 2.4.1.3 Algoritmo do LAS – “link active scheduler”). Não foi pois utilizado nenhum LAS redundante.

Fig. 5.6 – Lista de dispositivos activos



5.6. Cadeias de controlo simples

Nestes ensaios procurou verificar-se a facilidade de implementação e activação de diversas cadeias de controlo, analisar a sua funcionalidade e observar também o resultado do ajuste dos parâmetros mais significativos dos diversos blocos. Uma vez que por falta de equipamento não se dispõe de uma válvula para o controlo da pressão do ar os ensaios tiveram que levar este factor em conta.

5.6.1. Controlo do Caudal de saída

Neste ensaio procurou efectuar-se o controlo do caudal de saída, manipulando a respectiva válvula. Para tal implementou-se a estratégia de controlo indicada na Fig. 5.7 (figura produzida no sistema). Para uma melhor observação do desempenho do controlador foi-se variando automaticamente a referência do caudal com o auxílio de um gerador de funções, SPG, ligado ao “set-point” do controlador de caudal. Note-se que o bloco de funções “Analog Output” se encontra obrigatoriamente instalado no posicionador da válvula, uma vez que é ele que envia os valores de saída para o transdutor de saída do posicionador. Os blocos de funções controlador PID e gerador de funções (SPG) foram também instalados no posicionador. Deste modo as funções principais ficam no mesmo dispositivo. O valor do caudal vem de um dispositivo diferente, do primeiro canal do conversor corrente/Fieldbus. Por esta razão o diagrama apresenta-o delimitado a traço interrompido. (o desenho dos blocos em forma elíptica, redonda, quadrada ou rectangular é opção do utilizador).

Fig. 5.7 – Estratégia de controlo do caudal de saída



Repare-se que existe um “feedback” do bloco Analog Output pata o bloco PID, e outro “feedback” do bloco PID para o bloco SPG. Esta ligação é importante (embora se possa trabalhar sem ela) pois garante ao bloco que se encontra num nível acima que a informação que enviou para o nível abaixo foi processada. Deste modo garante-se o sincronismo dos sinais de controlo. A ligação serve ainda para automaticamente definir os modos de funcionamento dos blocos. Blocos como o AO, PID, SPG e outros que não são usados nesta estratégia, devem, em situação normal no controlo de um processo funcionar em modo Automático (auto) ou em modo Cascata (casc). A funcionalidade dos blocos é completa em qualquer dos modos, com uma pequena diferença: em auto apenas o operador pode modificar a referência, enquanto que em casc é o bloco que se encontra a ele ligado que pode modificar a referência, e apenas ele, acedendo ao parâmetro CAS_IN. Este facto já foi referido na secção 2.5.4.5., na descrição do bloco PID. No diagrama da Fig. 5.7 os blocos Valv_saida_AO e Valv_saida_PID deverão ter o modo – target em casc e o bloco Valv_saida_SPG defevá ter o modo – target em auto. O bloco SPG é programado para gerar uma sequência de valores à saída, valores que são introduzidos como “set-point” do bloco PID através da ligação OUT CAS_IN. De um modo análogo a saída OUT do PID é injectada no bloco AO através da entrada CAS_IN deste. Através do “feedback” referido, se o modo do bloco AO passar de casc para auto, para man (manual) ou para OOS (fora de serviço), é quebrado o sincronismo dos blocos e o PID e o SPG suspendem o funcionamento.

O ensaio foi efectuado com o reservatório pressurizado. Para o efeito com o reservatório vazio fechou-se manualmente a válvula de topo e seguidamente encheu-se com água da rede, até a pressão interior igualar a da rede. A seguir colocou-se a válvula de saída a controlar o respectivo caudal (bastou para o efeito passar o bloco AO, “on line” de auto casc, uma vez que o bloco PID já estava definido em casc e o bloco SPG em auto).

Pode assim observar-se o modo como o processo é conduzido à referência (Fig. 5.8 e Fig. 5.9). Pode também efectuar-se o ajuste do parâmetros do 1º bloco da entrada analógica do conversor IF302, PV_TIME = 0.9, de modo a evitar um sinal ruidoso ( sinal proveniente deste tipo da caudalímetro é quase sempre ruidoso, devido ao facto do escoamento ser turbulento). Foi também possível ajustar os parâmetros do controlador PID de modo a haver um bom seguimento da referência, nas transições de “set-point”.

Os gráficos de evolução de variáveis, apresentados nas figuras, foram configurados no sistema, e fazem parte do pacote “standard” do fabricante dos instrumentos e fornecedor de S/W. Permite apresentar um grande número de gráficos, mostrando em cada um deles até 6 variáveis. As variáveis são referenciadas pela cor, numa pequena janela existente à direita do gráfico, e que não foi capturada. Os gráficos foram capturados do écran do monitor por meio de um programa de captura de imagem, que permite a captura de imagens rectangulares ou com outra forma, e armazenar em ficheiros com extensões pré-definidas, entre elas “.bmp” e “.jpeg”.



Fig. 5.8 – Controlo do caudal de saída

Fig. 5.9 – Controlo do caudal de saída, cont.

Em relação às figuras note-se o seguinte:

1. O gerador SPG foi colocado em modo cíclico, com patamares de 0, 0.2 e 0.4 ( estes valores são uma fracção do caudal máximo, que pode variar entre 0 e 1.0 l/s). Cada patamar tem a duração de 120 segundos. As figuras representam 4 ciclos do gerador, referenciados no topo.

2. O controlador PID apenas se encontra a funcionar com acção proporcional e acção integral. A diferença entre os ciclos 1 a 4 reside em valores diferentes para os parâmetros GAIN (ganho proporcional) e RESET (tempo de integração). O ciclo 4 tem GAIN = 12 e RESET = 0.8 (s).

3. A posição da válvula cresce em rampa, tanto mais quanto maior o caudal. Este fenómeno é processual e deve-se ao facto de o reservatório baixar rapidamente de nível (e portanto de pressão), sendo necessário, para assegurar um caudal constante, uma maior abertura da válvula.

4. A estratégia de controlo satisfaz o objectivo pretendido. Não constitui objectivo do trabalho optimizar a parametrização do controlador nem avaliar o seu desempenho.

32 4

Caudal SP

Caudal PV

Posição da válvula1 2

120 s



5.6.2. Nível do reservatório

O nível do reservatório foi controlado manipulando o caudal de saída por ser mais rápido do que o que se obteria através do caudal de entrada, uma vez que a tubagem de saída tem o quádruplo da secção da tubagem de entrada. Deste modo não se pode utilizar o controlo do caudal de saída descrito na secção anterior.

Foram ensaiadas duas estratégias para o controlo do nível: controlo em cascata e directo.

1. Controlo em cascata.

Esta estratégia é igual à indicada no P&I e representa-se na Fig. 5.10, tal como obtida do sistema. Utiliza-se aqui o controlador de nível em cascata sobre o controlador de caudal. O objectivo é observar a facilidade com que se reconfigura o sistema.

Fig. 5.10 – Estratégia de controlo do nível do reservatório - cascata

Em relação à estratégia da Fig. 5.10 note-se o seguinte:

1. O controlo de nível é efectuado por meio de um 2º controlador PID que foi colocado no dispositivo Valv_Saída, que assim ficou a funcionar com 2 controladores. Este 2º controlador está em cascata sobre o controlador de caudal.

2. O controlador de nível é de acção inversa, acção que se consegue realizar simplesmente afectando o ganho proporcional de um sinal negativo.

3. Os sinais do processo para cada um dos controladores são provenientes de um outro dispositivo, concretamente do conversor corrente/Fieldbus (IF-Conv), canais 1 e 2.



Na Fig. 5.11 estão indicados os blocos utilizados para configurar esta estratégia, bem como os parâmetros que se modificaram.

Fig. 5.11 – Configuração da válvula de saída – controlo em cascata

Na Fig. 5.12 apresentam-se os resultados obtidos com o controlo do nível em cascata. As regiões 1, 2 e 3 foram obtidas com os seguintes parâmetros de controlo (controlador PID2):

1 – GAIN: -1, RESET: 5, RATE: 0 2 – GAIN: -1, RESET: 5, RATE: 1 3 – GAIN: -0.75, RESET: 5, RATE: 0

A utilização de ganhos mais baixos, embora conduzisse a uma menor oscilação da válvula, piora o desempenho do controlo de nível.



Fig. 5.12 – Controlo do nível do reservatório - cascata

2. Controlo directo.

Procurou neste ensaio verificar a facilidade de reconfiguração da cadeia de controlo do nível. Continuou a utilizar-se a válvula de saída, actuada directamente pelo sinal proveniente de um controlador PID, que recebia o “set-point” do nível e o respectivo valor do processo. A estratégia de controlo encontra-se representada na Fig. 5.13.

Uma vez que agora a saída do controlador deverá estar compreendida entre 0 e 100, correspondente à calibração da válvula de saída, houve necessidade de aumentar o ganho proporcional do controlador. Foram também colocados limites superior e inferior ao “set-point” do controlador, bem como à sua saída.

Fig. 5.13 – Estratégia de controlo do nível do reservatório - directo

Válvula– 100%– – – – – 50% – – – – – 0%

Nível (cm)

40 – – – – –

20 – – – – –

0 –

Válvula

Nível - PV

Nível - SP

1 2 3

260 s



Fig. 5.14 – Controlo do nível do reservatório - directo

Na Fig. 5.14 mostram-se a seguir os gráficos obtidos para o nível e para a válvula, com este tipo de estratégia, directa. As regiões 1, 2 e 3 foram obtidas com os seguintes parâmetros de controlo (controlador PID2):

1 – GAIN: -5, RESET: 5, RATE: 0 2 – GAIN: -10, RESET: 5, RATE: 0 3 – GAIN: -20, RESET: 5, RATE: 0

A utilização de ganhos maiores, embora conduzisse a uma menor oscilação da válvula, piora o desempenho do controlo de nível. Um controlo de nível mais rápido, conseguido à custa de um aumento de ganho proporcional, origina oscilações na válvula de controlo (Fig. 5.15).

Fig. 5.15 – Controlo do nível do reservatório – directo, 2

Válvula– 100%– – – – – 50% – – – – – 0%

Nível (cm)

40 – – – – –

20 – – – – –

0 –

Válvula

Nível - PV

Nível - SP

1 2 3

180 s

Válvula– 100%– – – – – 50% – – – – – 0%

Nível (cm)

40 –––––

20 –––––

0 –

Válvula Nível - PV

Nível - SP

3 4 5

180 s

5

Válvula



5.6.3. Temperatura da água

O controlo da temperatura da água no interior do reservatório é feito por meio de um aquecedor de água instalado na linha de entrada. Este aquecedor já existia no Laboratório de Instrumentação. O aquecedor tem a potência de 19 kW e apenas funciona a potência constante, desde que haja um valor mínimo de segurança para o caudal de água de entrada. Acima deste valor de caudal a quantidade de calor introduzida no interior do tanque é proporcional ao tempo.

O aquecedor é comandado por meio de um contactor comandado por um sinal de 24 V. Por não haver no Laboratório de Instrumentação um dispositivo Foundation Fieldbus com saídas discretas, houve necessidade de projectar e construir um conversor corrente/tensão. Este aceita um sinal em corrente contínua de 4-20 mA e produz à saída uma tensão contínua de 0V ou de 24 V, consoante a corrente de entrada. O nível de comutação situa-se junto dos 12 mA e é regulável, com histerese. Este conversor é actuado pelo 1º canal de saída do FI302. Deste modo é possível, utilizando equipamento existente, efectuar o controlo da temperatura por modulação de largura de impulso.

A estratégia de controlo, em termos dos blocos funcionais Foundation Fieldbus encontra-se representada na Fig. 5.16. A estratégia apresentada foi programada no dispositivo TT302-Fieldbus Temperatura Transmitter (sensor de temperatura). Para testar a versatilidade do sistema programou-se a seguir esta mesma estratégia no conversor Fieldbus/corrente FI302 (análoga à da Fig. 5.16, não representada). Foi com esta última que se efectuou a recolha de dados correspondente ao controlo de temperatura, e que se apresenta na Fig. 5.17.

Fig. 5.16 – Estratégia de controlo da temperatura da água



Fig. 5.17 – Controlo da temperatura da água

Em relação ao controlo de temperatura fazem-se as seguintes observações:

1 – Devido ao tipo de processo, a velocidade de resposta do controlo depende do nível do reservatório, pelo que cada ensaio foi efectuado com o nível em controlo.

2 – Devido ao tipo de actuador utilizado o controlo de temperatura é do tipo “on/off”. Por este motivo, e como foi utilizado um controlador PID “standard” do sistema para gerar o sinal de saída para o contactor, o ganho do controlador foi o suficientemente elevado para gerar um sinal do tipo liga/desliga. O controlador tem a saída limitada entre 0 e 100, a que corresponde o contactor desligado e ligado, respectivamente.

3 – Observa-se uma forte não linearidade, caracterizada pelo tempo de estabelecimento a subir ser bastante inferior ao tempo de estabelecimento a descer. Este facto deve-se à forma como a temperatura do processo é controlada: com efeito, se o “set-point” da temperatura fosse colocado a um valor inferior à temperatura ambiente, o tempo de estabelecimento seria infinito.

4 – Nota-se uma oscilação no controlo: a temperatura continua a subir mesmo após o contactor ser desligado. Este fenómeno é devido à quantidade de calor que é armazenada no permutador de calor e que continua a ser transportada para o processo mesmo com o contactor já desligado.

A observação da Fig. 5.17, e as observações anteriores, levam à conclusão que será possível uma melhoria do controlo de temperatura desde que sejam efectuadas alterações na forma como o controlo é efectuado.

Válvula– 100%– – – – – 50% – – – – – 0%

Temper. (ºC)

50 –––––

35 –––––

20 –

Saída p/ contactor

Temperatura - PV

Temperatura - SP

20m 50s 7m 20s

Nível constante



5.7. Controlo multivariável

Uma vez que o processo em causa tem entrada múltipla e saída múltipla, poderá ser implementada uma estratégia MIMO (“multiple input, multiple output”). Para efeito deste trabalho consideram-se quatro variáveis controladas e quatro variáveis manipuladas:

Variáveis controladas:

• Pressão do ar no interior do tanque, resumidamente designada por “pressão”, • Nível da água no interior do tanque, de forma resumida “nível”, • Caudal da água de entrada. • Temperatura da água,

Variáveis manipuladas:

• Posição da válvula do ar de pressurização do tanque, de forma resumida designada por válvula do ar,

• Posição da válvula de entrada, • Posição da válvula de saída, • Contactor do aquecedor (on/off).

A estratégia de controlo utiliza controladores PID, por serem aqueles que vêm pré-definidos com os instrumentos digitais da Foundation Fieldbus e ser este tipo de redes que está em estudo neste trabalho. Uma vez que se tornou necessário utilizar desacoplamento entre as variáveis, este foi efectuado por meio do caminho “feedforward” existente nos controladores PID. O esquema geral da estratégia de controlo MIMO 4×4 aplicada ao processo em estudo encontra-se resumido na Fig. 5.18. Uma vez que as variáveis do processo se encontram acopladas, torna- -se necessário dimensionar o desacoplador. Utilizando a representação vectorial/matricial, o processo será representado pela matriz

11 12 13 14

21 22 23 24

31 32 33 34

41 42 43 44

ij

g g g gg g g g

G gg g g gg g g g

⎡ ⎤⎢ ⎥⎢ ⎥⎡ ⎤= =⎣ ⎦ ⎢ ⎥⎢ ⎥⎣ ⎦

(5.1)

em que os elementos gij da matriz G têm o seguinte significado:

gij é a variação observada na saída i quando na entrada j é aplicado um degrau unitário e as restantes entradas são mantidas constantes.

Acontece porém que o processo não é linear (a relação entre a pressão no fundo e o caudal de saída é quadrática), e portanto alguns dos gij não serão constantes mas dependerão do ponto de funcionamento; em particular, é de esperar que alguns deles dependam do nível do reservatório e da pressão do ar.



Siglas: r – referência; e – erro; c – saída do controlador; u – variável manipulada; y – variável de saída; K – controlador 1 – pressão do ar; 2 – nível da água; 3 – caudal de entrada; 4 –temperatura da água.

Fig. 5.18 – Controlo do tanque – esquema de blocos genérico

K3 r3

y3

e3 c3 u3 y3

K1 r1

y1

e1 c1 u1 y1

K4 r4

y4

e4 c4 u4 y4

K2 r2

y2

e2 c2 u2 y2

D

Desacoplador

G

Processo (reservatório)



Os valores de gij podem ser determinados experimentalmente, para cada ponto de funcionamento, directamente a partir da sua definição: Dá-se um acréscimo ∆uj à variável de entrada uj, mantendo as restantes variáveis de entrada constantes, e observa-se a correspondente variação ∆yj para todas as variáveis de saída. Na Fig. 5.19 representa-se de uma forma qualitativa o valor esperado para as variações das variáveis do processo.

y1 Pressão y2 Nível y3 Caudal entrada

y4 Temperatura

Válvula de ar u1

∆y1

∆y2

∆y3

∆y4Válvula água entrada u2

∆y1

∆y2

∆y3

∆y4Válvula água saída

u3

∆y1

∆y2

∆y3

∆y4Contactor aquecedor u4

∆y1

∆y2

∆y3

∆y4

Fig. 5.19 – Andamentos aproximados do processo

Pode observar-se que enquanto na relação entre a posição das válvulas de controlo e as variáveis de saída há relações com o andamento característico de um sistema de primeira ordem, há outras que revelam a existência de integradores. Para o caso em que a relação é de 1ª ordem obtém-se gij pela expressão

11ij ij

ij

g kT s

=+

em que s representa a variável complexa de Laplace e em que kij é calculado por

iij

j

yku∆

=∆

com iju∆ , ijy∆ e Tij obtidos a partir dos resultados experimentais. Para o caso em que existem integradores será

1(1 )ij ij

ij

g ks T s

=+



Para poder efectuar estes ensaios sem que as variáveis saturassem (por exemplo sem que o tanque encha ou esvazie) atribui-se a iju∆ não uma variação em degrau mas sim uma sequência de 3 degraus, que originam um sinal como o indicado na Fig. 5.20. Deste modo o processo, depois dos ensaios, regressa ao estado inicial.

Fig. 5.20 – Sequência de ensaio de 3 degraus

O procedimento utilizado está a ignorar as não linearidades do processo. Por este motivo as amplitudes dos degraus e as suas durações deverão obedecer a duas condições antagónicas:

• Ser tão pequenas quanto possível de forma a que não se façam sentir as não linearidades (e também a não perturbar o processo, quando se trata de um processo industrial)

• Ser suficientemente intensas para que possam ser observadas (acima do nível de ruído). Para poder entrar em conta com as não linearidades estes ensaios deverão ser efectuados em torno de cada um dos pontos de funcionamento do processo. Para o dimensionamento do desacoplador deverá ser calculado o ganho da sequência desacoplador + processo e imposta a condição da matriz resultante ser diagonal,

=GD Λ (5.2)

em que G – matriz de transferência do processo, definida em (5.1) D – matriz de desacoplamento, Λ – matriz diagonal representativa do processo desacoplado. Da expressão (5.2) obtém-se

1−=D G Λ (5.3)

Embora a expressão (5.3) seja aparentemente simples, a sua aplicação não se torna prática, uma vez que dela resulta um grande número de equações escalares, com se mostra através de um exemplo efectuado com o auxílio do cálculo simbólico do MatLab:

G = [ g11, g12, g13, g14] P = [ p1, 0, 0, 0] [ g21, g22, g23, g24] [ 0, p2, 0, 0] [ g31, g32, g33, g34] [ 0, 0, p3, 0] [ 0, g42, g43, 0] [ 0, 0, 0, p4]

T

T

+U

-U

0 t



D =1/den ×

[(g22*g34*g43-g32*g24*g43-g42*g23*g34+g42*g24*g33)*p1, -(g12*g34*g43-g32*g14*g43-g42*g13*g34+g42*g14*g33)*p2, (g12*g24*g43-g22*g14*g43-g42*g13*g24+g42*g14*g23)*p3, (g12*g23*g34-g12*g24*g33-g22*g13*g34+g22*g14*g33+g32*g13*g24-g32*g14*g23)*p4]

[-g43*(g21*g34-g31*g24)*p1, g43*(g11*g34-g31*g14)*p2, -g43*(g11*g24-g21*g14)*p3, -(g11*g23*g34-g11*g24*g33-g21*g13*g34+g21*g14*g33+g31*g13*g24-g31*g14*g23)*p4]

[g42*(g21*g34-g31*g24)*p1, -g42*(g11*g34-g31)*g14*p2, g42*(g11*g24-g21*g14)*p3, (g11*g22*g34-g11*g24*g32-g21*g12*g34+g21*g14*g32+g31*g12*g24-g31*g14*g22)*p4]

[-(-g21*g32*g43+g21*g33*g42+g31*g22*g43-g31*g23*g42)*p1, (-g11*g32*g43+g11*g33*g42+g31*g12*g43-g31*g13*g42)*p2, (g11*g22*g43-g11*g23*g42-g21*g12*g43+g21*g13*g42)*p3, -(g11*g22*g33-g11*g23*g32-g21*g12*g33+g21*g13*g32+g31*g12*g23-g31*g13*g22)*p4]

em que

den = g11*g22*g34*g43-g11*g32*g24*g43-g11*g42*g23*g34+g11*g42*g24*g33-g21*g12*g34*g43+g21*g32*g14*g43+g21*g42*g13*g34-g21*g42*g14*g33+g31*g12*g24*g43-g31*g22*g14*g43-g31*g42*g13*g24+g31*g42*g14*g23

Procurou então utilizar alguns conceitos físicos de modo a simplificar a matriz de desacoplamento. Em primeiro lugar começa por notar-se que a temperatura da água apenas depende da abertura ou fecho do contactor, como se pode observar na Fig. 5.19. Isto significa que não existe acoplamento entre a temperatura da água e as outras variáveis controladas. Assim a matriz G simplifica-se, ficando com a dimensão 3×3. Designar-se-á esta nova matriz reduzida por G3. A matriz de desacoplamento vem também reduzida: D3. Será então

G3 = [ g11, g12, g13] P3 = [ p1, 0, 0] [ g21, g22, g23] [ 0, p2, 0] [ g31, g32, g33] [ 0, 0, p3]

A utilização do cálculo simbólico do MatLab conduz agora a

D3= [ (g22*g33-g23*g32)/den*p1, -(g12*g33-g13*g32)/den*p2, (g12*g23-g13*g22)/den*p3] [-(g21*g33-g23*g31)/den*p1, (g11*g33-g13*g31)/den*p2, -(g11*g23-g13*g21)/den*p3] [ (g21*g32-g22*g31)/den*p1, -(g11*g32-g12*g31)/den*p2, (g11*g22-g12*g21)/den*p3]

em que

den=(g11*g22*g33-g11*g23*g32-g21*g12*g33+g21*g13*g32+g31*g12*g23-g31*g13*g22) Estas expressões são manifestamente mais simples do que as anteriores mas ainda oferecem alguma dificuldade de aplicação.



5.8. Modelo de estado do processo

Procurou obter-se o modelo de estado do tanque, para se ter uma melhor compreensão do processo e do controlo, e eventualmente efectuar o seu controlo com o auxílio do Simulink. O modelo corresponde a uma configuração um pouco diferente da que foi ensaiada nas secções anteriores; aqui o controlo da temperatura se faz por adição de dois caudais, um de água fria e outro de água quente.

5.8.1. Modelo de estado do reservatório

Variáveis controladas

p – pressão de ar no interior h – nível do líquido q – caudal de saída T – temperatura do líquido (ºC)

Variáveis manipuladas

Var – válvula de controlo da pressão de ar Vq – válvula de controlo do caudal de saída Vf – válvula de controlo do caudal de água fria Vq – válvula de controlo do caudal de água quente

Outras variáveis usadas nos cálculos

V – volume de líquido no interior Va – volume de ar no interior po – pressão no fundo do recipiente à cota da saída qf – caudal de água fria de entrada qq – caudal de água quente de entrada qi – caudal total de entrada (qi=qf+qq) Tf – temperatura da água fria de alimentação (ºC) Tq – temperatura da água quente de alimentação (ºC)

Constantes

Vi – volume interno total do reservatório. Vi=0.249 m3 Si – secção transversal interna do reservatório. Si=0.1963 m2 So – secção interna da tubagem de saída. So=5.067×10-4 m2 g – aceleração da gravidade. g=9.8 m/s2 ρ – massa volúmica do liquido. Usou-se água, com ρ=1000 kg/m3 γ – peso específico do líquido. γ=ρg C – Calor específico do fluido

Obtenção do modelo de estado

Da equação fundamental da hidrostática (para o efeito o líquido pode considerar-se em repouso)

op p hγ= +



Pela aplicação do teorema de Bernoulli a dois pontos à cota de saída, um no interior e outro na tubagem

20

2op v

gγ= , donde 0 2 /ov p ρ=

Admitindo a velocidade do líquido uniforme ao longo da secção recta da tubagem de saída

o oq v S= donde 2 /o oq S pρ= 2 /oq S p ghρ ρ= +

Pelo balanço de materiais é

idV q qdt

= −

Atendendo a que idV S dh= obtém-se 1 ( )i

i

h q qS

= −&

Admitindo que o ar no interior do tanque se comporta como um gás perfeito será

apV K=

ou ainda, diferenciando, notando que a iV V V= − e substituindo h& pelo valor acima

( )ii i

pp q qV S h

= −−

&

Para a temperatura utiliza-se o balanço de energia que entra e sai: Energia que entra no tempo elementar dt devido ao caudal de água fria: f fq CT dtρ Energia que entra no tempo elementar dt devido ao caudal de água quente: q qq CT dtρ Energia que sai no tempo elementar dt devido ao caudal de saída: qCTdtρ Variação de energia no interior do reservatório VCdTρ

Logo, f f q qq CT dt q CT dt qCTdt VCdTρ ρ ρ ρ+ − =

que simplificada conduz a 1 ( )f f q qi

T q T q T qTS h

= + −&

Com as equações anteriores pode escrever-se o modelo de estado

( )ii i

pp q qV S h

= −−

&

1 ( )ii

h q qS

= −&

1 ( )f f q qi

T q T q T qTS h

= + −&

com 2 /oq S p ghρ ρ= +

Embora se tenha efectuado a representação deste modelo de estado no Simulink, não se chegou de momento a efectuar a respectiva simulação.



5.9. Sistema de supervisão auxiliar

O sistema de controlo utilizado neste trabalho peca pela falta de um sistema de monitorização e de interface com o operador adequado. Seria conveniente a inclusão de um sistema de supervisão do tipo Génesis, CITEC, ou semelhante, ou até mesmo a realização local de um sistema deste tipo em Visual Basic. Este último poderá constituir um projecto de fim de curso para alunos do Curso de Informática Industrial.

De uma forma muito sumária, um sistema de interface com o operador deverá incluir:

• Diagrama sinóptico do processo e dos instrumentos

• Imagens de controladores e arranque/paragem de motores e bombas

• Imagens de valores do processo e integradores

• Gráficos das variáveis a curto prazo (minutos)

• Gráficos das variáveis a médio prazo (horas)

• Imagem de alarmes

• Histogramas de variáveis seleccionadas pelo operador

Para processos mais elaborados poderia ainda incluir-se:

• Gráficos para controlo estatístico

• Relatório diário sobre o processo (configurável pelo operador)



5.10. Conclusões e recomendações

Após trabalhar com a instrumentação em rede no processo para o efeito construído no Laboratório de Instrumentação e Medida da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal, tomou-se contacto com o equipamento, com a sua configuração e com o seu funcionamento, tendo-se concluído o seguinte: 1. Foi constatado o funcionamento de rede de acordo com as expectativas teóricas. Foram

também alcançados os objectivos de controlo estabelecidos para uma rede de campo Foundation Fieldbus H1, tendo para o efeito sido ensaiadas diversas estratégias de controlo, todas com bons resultados.

2. A instrumentação de medida e as válvulas utilizadas são bastante robustas, sendo recomendadas para ambientes industriais em que existe humidade, água lançada sobre o equipamento, poeiras e gases, pois o equipamento é estanque.

3. O funcionamento da rede foi verificado em situações em que o computador de interface com o operador estava fora de serviço, mesmo após feita a inicialização da rede com o computador desligado. O sistema de controlo respondeu perfeitamente a falhas de energia.

4. Constatou-se que os instrumentos digitais usados em rede oferecem realmente as vantagens que os fabricantes anunciam, nomeadamente quanto à visibilidade dos parâmetros e dos valores, à sua acessibilidade, e à possibilidade de distribuir os blocos funcionais pela rede, nos dispositivos que o projectista desejar.

5. No caso de se projectarem sistemas de grande porte, é essencial efectuar uma divisão criteriosa das áreas funcionais. As redes deverão ser divididas de acordo com as áreas funcionais e os “TAGNAMES” dos equipamentos deverão ser claros, unívocos e curtos.

6. É de grande importância, ao usar um sistema com muitos instrumentos e cadeias de controlo, dispor de imagens sinópticas de interface entre o operador e o processo. Estes sinópticos servem simultaneamente para uma visualização geral do estado do processo e para modificar o estado das cadeias de controlo (manual/ automático/ cascata, etc.), quando necessário.

7. A versão de Software utilizada no sistema, embora com uma grande potencialidade no que respeita à comunicação com os dispositivos de campo, não era de utilização prática (“users friendly”), em particular no que respeita ao desenvolvimento de sistemas com alguma complexidade. Espera-se que o fabricante apresente uma nova versão que seja de fácil utilização e que permita uma rápida implementação em sistemas de grande porte.

8. Concluiu-se que não deve ser feita a ligação da rede em margarida, se não houver a possibilidade de retirar um instrumento sem desligar a rede. Tal só é aceitável em ambiente industrial se se dispuser de fichas de ligação adequadas.

LISTA DE SIGLAS E SEU SIGNIFICADO (Sigla – Nome português – Nome inglês – Significado)

CD Forçar dados – Compel data – Mensagem enviada periodicamente pelo LAS para indicar a um determinado dispositivo que deve difundir uma mensagem

DLL Camada de enlace de dados – Data link layer – É uma sub–camada da pilha de comunicações. Esta tem funções equivalentes ao agrupamento dos níveis 2 a 7 do modelo OSI da ISO

FAS Sub-camada de acesso à rede – Fieldbus access sublayer – sub-camada da camada de comunicação que fornece serviços à camada FMS

FMS Especificação das mensagens fieldbus – Fieldbus message specification –

ISA International Society for Measurement and Control – Associação internacional de profissionais de Instrumentação e Controlo. Também conhecida como Instrumentation, Systems & Automation Society e como Instrumentation Society of America.

ISO International Organization for Standardization – Organização internacional que efectua a normalização no campo técnico, com excepção da Electrotecnia e Electrónica. É constituída por mais de 100 paíse membros

LAN Rede de área local – Local area network - rede de interligação de computadores ou de dispositivos digitais, com raio de acção até à dezena de quilómetros.

LAS Programador de comunicações activas – Link active scheduler – Programa que controla as comunicações na rede

NA Activação do nó – Node activation – Mensagem enviada pelo LAS a um dispositivo que acabou de ser adicionado à rede, confirmando a sua inclusão na lista activa

OD Dicionário de objectos – Object dictionary – estrutura contendo a descrição dos objectos da sub-camada de especificação de mensagens.

OOS Fora de serviço – Out of service – Modo de funcionamento de um bloco, em que este não é executado.

OSI Interligação de sistemas abertos – Open Systems Interconection – Arquitectura para redes de comunicação abertas entre computadores, proposta pela ISO

PCI Carta de interface com o Processo – Process Control Interface – Carta electrónica que é inserida num PC ou Workstation para efectuar a interligação entre a rede e o computador.

PID Proporcional, integral e derivativo – Controlador com acção proporcional, acção integral e acção derivativa.


Página 122 Lista de Siglas Março de 2004

PN Teste de nó – Probe node – Mensagem enviada periodicamente pelo LAS para detectar os dispositivos activos da rede

P0 Saída para o processo – process output – valor para a variável manipulada, normalmente fornecida por um controlador.

PR Resposta ao teste – Probe response – Mensagem enviada ao LAS, como resposta ao PN, por um dispositivo que é adicionado à rede

PT Testemunho de passagem – Pass token – Mensagem enviada pelo LAS a um dispositivo, concedendo autorização para entrar em rede

PV Variável do processo – process value – valor da variável do processo, fornecida por um sensor ou calculada por um algoritmo.

SP “Set-point” do processo – set-point value – valor da referência do processo, fornecida pelo operador ou calculada por um algoritmo ou por uma cadeia de controlo exterior.

TD Distribuição do tempo – Time distribution – Mensagem enviada periodicamente pelo LAS destinada a sincronizar os relógios dos dispositivos da rede

VCR Relações virtuais de comunicações – virtual communications relationships – serviços fornecidos pela sub-camada FAS da rede.

VFD Dispositivo de campo virtuais – virtual field devices – dispositivos utilizados para ver, remotamente, os dados locais descritos pelo dicionário de objectos.

BIBLIOGRAFIA

[ 1 ] Introduction to Fieldbuses for Process Control, Jonas Berge – The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2002

[ 2 ] Fieldbuses: Benefits, Savings and Doubts, Jonas Berge – The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2002

[ 3 ] Fieldbuses: Engineering and Design, Jonas Berge – The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2002

[ 4 ] Fieldbuses: Availability and Safe, Jonas Berge – The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2002

[ 5 ] Fieldbus Pressure Transmitter Operation Manual, Smar, 1999

[ 6 ] Fielbus Temperature Transmitter Operation Manual, Smar, 1999

[ 7 ] Tripple Channel Current to Fieldbus Operation Manual, Smar, 1999

[ 8 ] Tripple Channel Fieldbus to Current Operation Manual, Smar, 1999

[ 9 ] Fieldbus Power Supply Installation Manual, Smar, 1999

[ 10 ] Fieldbus Power Supply Impedance Installation Manual, Smar, 1999

[ 11 ] Fieldbus Valve Positioner Operation Manual, Smar, 1999

[ 12 ] Execución de Proyectos Foundation Fieldbus, Fisher-Rosemount Systems Inc, 1999

[ 13 ] Metodologia de Proyecto con Profibus, Siemens AG, 1999

[ 14 ] On the Performance of the IEC 61158 Fieldbus, L. Durante/A. Valenzano, NH Elsevier- 1999

[ 15 ] Enhancing Reliability in IEC/ISA Fieldbus, S. Cavalieri/O. Mirabella/ S. Monforte, NH Elsevier- 1999

[ 16 ] Instrumentação Industrial – Cap.20, Gustavo da Silva, EST - 1999

[ 17 ] Syscon – System Configurator Installation and Operation Manual, Smar, 1998

[ 18 ] Fieldbus Foundation Field Devices Installation ans Maintenance Manual, Smar, 1998

[ 19 ] Projecto de Instrumentação, João Catarino, EST - 1998

[ 20 ] Tecnhical Overview, Fieldbus Foundation, FD-043, 1998

[ 21 ] Fielbus Installation and Planning Guide, Fieldbus Foundation, AG-165

[ 22 ] Data Link Layer Services Subset Specification, Fieldbus Foundation, FF-821

[ 23 ] Data Link Layer Protocol Subset Specification, Fieldbus Foundation, FF-822


Página 124 Bibliografia Março de 2004

[ 24 ] Fieldbus Acces Sublayer Specification, Fieldbus Foundation, FF-875

[ 25 ] Fieldbus Message Specification, Fieldbus Foundation, FF-870

[ 26 ] Network Management Specification, Fieldbus Foundation, FF-801

[ 27 ] Abstract Syntax Notation ASN.1, Steedman

[ 28 ] Function Blocks Part 1, Fieldbus Foundation, FF-890



[ 31 ] System Management Specification, Fieldbus Foundation, FF-800

[ 32 ] Physical Layer Profile, Fieldbus Foundation, FF-816 31.25 kbit/s, 1996

[ 33 ] 31.25 kbit/s Wiring and Installation Guide, Fieldbus Foundation, AG-140, 1996

[ 34 ] 31.25 kbit/s Intrinsically Safe Systems Applic. Guide, Fieldbus Foundation, AG-163, 1996

[ 35 ] Introdução aos Barramentos de Campo, J. Alberto Fonseca, Universidade de Aveiro, 1993

[ 36 ] International Physical Layer Standard, IEC 61158, 1993

[ 37 ] O Bus de Campo FIP, Carlos Cardeira/J.P.Thomesse, IST, 1993

[ 38 ] O Bus de Campo FIP, Carlos Cardeira/ J. P. Thomesse, DEM-IST - 1993

[ 39 ] Introdução aos Barramentos de Campo, J. Alberto Fonseca, DET-Univ. de Aveiro - 1993

[ 40 ] ISA Physical Layer Standard, ISA S50.02, 1992

[ 41 ] Cisco Internetworking Basics: Open System Interconnection Reference Model www.cisco.com/univercd/cc/td/doc/cisintwk/ito_doc/introint.htm#xtocid5

[ 42 ] The OSI reference Model, Rami Feig www.rad.com/networks/1994/osi/intro.htm

ÍNDICE A Abstract Syntax Notation ....................................... 19 acção da temperatura.............................................. 78 acção dupla – ar a abrir .......................................... 66 – ar a fechar ........................................ 66 acção simples ......................................................... 66 activação de nó....................................................... 16 AI .............................................................. 21, 22, 35 algoritmo PID ISA ................................................. 30 alumínio ................................................................. 12 andamentos aproximados..................................... 121 área fabril ............................................................... 71 ASI ........................................................................... 6 assinantes ............................................................... 15 atmosfera explosiva................................................ 48 atmosfera corrosiva ................................................ 48 AWG...................................................................... 12 B balanço de energia................................................ 125 de materiais............................................. 125 banda base.............................................................. 13 barreiras de segurança................................ 71, 80, 82 basic device...................................................... 15, 17 basic devices ........................................................ 105 Bias_A/M......................................................... 30, 32 bitola Americana.................................................... 12 BKCAL_IN...................................................... 32, 39 BKCAL_OUT.................................................. 31, 36 blindado ........................................................... 12, 13 bloco..............9, 10, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 43, 44, 45

de avanço-atraso ............................................ 42 de alarmes analógicos.................................... 32 de aritmética .................................................. 28 de entrada analógica ................................ 24, 31 de entrada discreta ......................................... 25 de funções................................................ 20, 22 de recursos ............................. 51, 55, 60, 64, 68 de recursos ..................................................... 20 de saída analógica.............................. 21, 44, 45 de temporização e lógica ............................... 40 de visualização....................... 51, 55, 60, 64, 68 entrada analógica ..................................... 51, 55 funcional PID........................................... 30, 31 gerador de funções................................... 38, 39 integrador................................................. 26, 27 repartidor ................................................. 36, 37 selector de entradas........................................ 35 tabela de valores ............................................ 34

transdutor . 20, 22, 48, 51, 54, 55, 56, 61, 64, 68 transdutor de visualização..............................22

bus ............................................................................4 C cabeçalho................................................................18 cabos de rede..........................................................77 recomendados...............................................79 cadeias de controlo....................................... 107, 127 caixas de junção .....................................................78 cálculo da densidade ..............................................43 cálculo simbólico .................................................123 calibração ............... 51, 52, 53, 56, 57, 58, 61, 64, 68 calibrar a válvula ..................................................102 camada de aplicação................................... 10, 18, 20 de enlace de dados...............................11, 15 do utilizador .................................. 11, 15, 20 física ........................................ 10, 11, 12, 15 CAN .........................................................................6 captura de imagem ...............................................109 CAS_IN................................................ 31, 36, 37, 44 caudalímetro............................................. 92, 93, 108 CITEC ..................................................................126 Cliente/servidor ......................................................17 código Manchester L-bifásico ................................14 compel data ......................................................15, 16 comprimento máximo de cada segmento ...............75 comunicações digital ................................................9 comunicações programadas....................................16 conclusões ............................................................127 condutores de cobre................................................13 configuração10, 18, 20, 21, 24 a 27, 29, 41, 44, 51,

55, 60, 64, 68, 93, 94, 95, 96, 98, 99, 100, 101, 103, 112, 124, 127

configurar os instrumentos .....................................71 consola de operação .................................................1 contactor........................... 92, 93, 100, 115, 116, 123 controlador de rede.................................................15 controlador PID..30, 94, 107, 108, 109, 111, 113, 116 controladores lógicos programáveis ...............1, 4, 75 controlo de temperatura.................. 93, 115, 116, 117 directo.....................................................113 do caudal de saída .................. 107, 110, 124 em cascata ..............................................110 estatístico................................................126 multivariável ..........................................117 conversor FI ...........................................................99 IF ............................................................96


Página 126 Índice Março de 2004

D DCS...................................................................... 4, 7 desacoplador ................................................ 117, 122 descrição de objecto ............................................... 18 descrição de sintaxe ............................................... 19 DEVICENET ........................................................... 6 diagnósticos em linha............................................... 7 diagrama sinóptico ............................................... 126 direct digital control ................................................. 3 distribuição de informação..................................... 17 distributed control systems....................................... 4 divisão da rede ....................................................... 73 divisão funcional .............................................. 73, 74 DLL...................................................... 11, 14, 15, 17 documentação actualizada...................................... 72 ligação a dois fios................................................... 54 “download” dos parâmetros ................................. 103 E efeito de Hall........................................................ 101 equação fundamental da hidrostática ................... 125 erros de transmissão ............................................... 13 especificações de desempenho..................................... 52, 57, 62, 70 físicas ................................................... 52, 57, 62, 70 funcionais............................................. 52, 57, 61, 69 estratégia de controlo ..... 93, 107, 110, 113, 115, 117 estrutura de uma rede ............................................. 73 F FCS .................................................................. 1, 4, 7 feedback ............................................................... 108 feedforward .......................................................... 117 fieldbus..................................................................... 1 fieldbus control system ........................................ 1, 4 FI302.......................................... 92, 94, 99, 100, 115 fim de comunicação ............................................... 14 Flip-Flop ................................................................ 43 FMS ................................................................. 18, 19 fonte de alimentação .............................................. 78 forçar dados............................................................ 16 formato das mensagens .......................................... 19 Foundation Fieldbus 6, 71, 73, 75, 83, 9, 10, 11, 12,

13, 14, 20, 43, 45 FY302 .................................... 65, 66, 67, 68, 69, 101 G ganho proporcional ...................... 110, 111, 113, 114 gás perfeito........................................................... 125 Génesis................................................................. 126 gerador de constantes ............................................. 43 gerador de funções ............................................... 107 gráficos das variáveis ........................................... 126

H H1 ................................ 10, 12, 75, 76, 80, 81, 82, 83 HART.......................................................................4 Histogramas .........................................................126 HSE ........................................................................10 humidade.................................. 47, 48, 52, 57, 69, 79 I IF302 .................... 55, 59, 60, 61, 62, 65, 92, 96, 108 imagem

de alarmes ....................................................126 de controladores...........................................126 de valores do processo .................................126

indicador local............................................ 52, 57, 69 início de comunicação............................................14 instalação............................ 47, 48, 54, 59, 62, 65, 66 INTERBUS ..............................................................6 interface gráfico .......................................................7 interligar ...................................................................1 interoperabilidade...........................................1, 5, 10 instrumentação

analógica..................................................89, 92 de campo....................................................1, 73 digital ................................................. 89, 92, 93 electrónica........................................................3 em rede ................................................ 1, 5, 6, 8 inteligente ........................................................4 intrinsecamente segura...................................80

instrumentos locais.................................................89 instrumentos “Foundation Fieldbus........................89 ISO ...................................................................10, 11 ISPF..........................................................................9 L LAG_TIME............................................................42 LAN .......................................................................10 LAS .............................................. 15, 16, 17, 19, 105 LD302 ................................ 48, 49, 50, 51, 52, 94, 95 LEAD_TIME .........................................................42 liga/desliga .....................................................93, 116 ligação

em árvore .......................................................76 em barramento ...............................................76 em margarida .................................................77

link master.................................... 15, 17, 19, 82, 105 lista de dispositivos activos .................... 16, 105, 106 localização dos transmissores.................................78 M manutenção

correctiva ............................... 51, 56, 61, 64, 69 preventiva ........................................................7

MatLab .................................................................123



matriz de desacoplamento............................... 122, 123 de transferência............................................ 122

diagonal................................................................ 122 MIMO .................................................................. 117 ModBus.................................................................... 6

Control Master............................................... 43 Control Slave ................................................. 43 Supervision Master ........................................ 43 Supervision Slave .......................................... 43

MODE_BLK…..21, 22, 25, 29, 30, 51, 55, 56, 60 61, 64, 68, 94, 95, 96, 97, 100, 101

modelo de estado do tanque ................................. 124 modelo OSI ...................................................... 10, 11 modo automático.................................................. 108 cascata ........................................................ 108 monitorização....................................................... 126 N não linearidades do processo................................ 122 Network and System Management Application..... 18 níveis hierárquicos ................................................. 73 nível……85, 88, 89, 92, 93, 97, 108, 110, 111, 112,

……..113, 114, 115, 116, 117, 118, 119, 122, 124 node activation ....................................................... 16 número máximo de dispositivos............................. 75 O object description ................................................... 18 object dictionary..................................................... 18 OD.......................................................................... 18 OOS ............................................... 21, 22, 24, 25, 44 orifício.................................................................... 92 OSI ................................................................... 11, 20 P P&I....................................................... 71, 72, 90, 91 par entrançado.................................................. 12, 13 parâmetros……..10, 12, 17, 21, 22, 23, 24, 26, 27,

……………..28, 29, 31, 39, 44 internos .......................................................... 98 padrão .......................................................... 103

PID............................................................... 108, 117 pilha de comunicação..................... 10, 11, 12, 15, 18 PLCs............................................................. 4, 75, 83 pontes de interface ................................................. 83 posicionador........... 65, 66, 67, 69, 88, 101, 105, 107 power supply impedance.................................. 78, 81 preâmbulo .............................................................. 14 pressão da água ...................................................... 95 pressão do ar .................................................. 94, 117 probe node.............................................................. 16 probe response ....................................................... 16 PROFIBUS .............................................................. 6 projecto de fim de curso....................................... 126

projecto de instrumentação.....................................71 protocolo de comunicação........................................9 Foundation Fieldbus ....... 48, 53, 59, 62, 65 H1...........................................................75 PT100.....................................................................94 publicante/assinante ...............................................18 R recomendações ...............................................85, 127 recuperação do relógio ...........................................14 rede

aberta .............................................................10 de comunicação ...............................................4 de campo......................................................1, 3 em margarida ...............................................127 local ...........................................................1, 10

redundância ................................................ 17, 81, 82 reflexões do sinal....................................................77 relatório diário......................................................126 reservatório……...85, 88, 89, 93, 96, 108, 110, 111,

………………113, 114, 115, 116, 118, 124, 125 resposta ao teste......................................................16 retirar o instrumento ...............................................77 RZ 14 S saída

analógica múltipla..........................................45 discreta múltipla.............................................45 discreta.....................................................27, 45 em degrau PID ...............................................45

secção dos condutores ............................................12 segmentos de rede .................... 71, 75, 79, 82, 83, 86 selecção dos instrumentos ................................71, 73 selector do sinal de saída........................................43 sensor de posição.................................. 101, 102, 105 SENSOR_TYPE ....................................................56 sequência.............................................. 14, 22, 35, 36 sequência de 3 degraus.........................................122 simbologia normalizada .........................................72 simulação .............................................................126 Simulink ....................................................... 124, 126 sinal do relógio.......................................................14 sincronização dos relógios .....................................16 sistemas DDC.................................................3, 4, 72 Smar .......................................................................47 SMIB......................................................................19 SPG ...................................................... 107, 108, 109 split range...............................................................36 sub-camada.......................................................11, 15

de acesso à rede .......................................15, 17 de especificação de mensagens.......... 15, 17, 18 de ligação ou enlace.......................................15

subscritores.............................................................15



T tecnologia aberta ...................................................... 7 temperatura ambiente ............................................. 47 temperatura da água……88, 92, 93, 94, 100, 115,

………………………116, 117, 119, 123, 124 tempo de integração ............................................. 110 teorema de Bernoulli ............................................ 125 terminação........................................................ 77, 78 termopar ................................................................. 20 termo-resistência .............................................. 88, 94 teste de nó .............................................................. 16 testemunho de passagem........................................ 16 transdutor capacitivo .................................. 48, 49, 50 transmissor

de pressão .......................................... 47, 48, 55 de temperatura ............................. 53, 55, 61, 64 magneto-resistivo .......................................... 93

trigger..................................................................... 43 TT302........53, 54, 55, 56, 57, 61, 62, 64, 67, 94, 115 U uncertain................................................................. 27 unidade fabril ......................................................... 73 unidade funcional............................................. 73, 74 unscheduled............................................................ 17

V válvula

de água fria ..................................................105 de saída ........................................................101

variação em degrau ..............................................122 variáveis controladas.................................... 117, 124 manipuladas................................... 117, 124 VCR .................................................................17, 19 VFD..................................................................18, 19 vibrações ..........................................................48, 70 virtual communications relationships.....................17 virtual field devices ................................................18 visibilidade ...............................................................7 visibilidade acrescida ...............................................7 Visual Basic .........................................................126 visualizador de cristais líquidos .............................22 W WorldFIP..............................................................6, 9 X XD_SCALE .....................................................24, 44

Documents

AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E …etla.com.pt/images/redescampo.pdf · AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Mestre