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94.2 -Protocolo Hart· .. u/·· •• '.' ....•..••••••'. 9A.3 - NaÇõeS de SDCD(Sistéma Digit~1 de Controle Distribuído)··9.4.4 - FIELDBUS. .

9.4.5 - Noções de CLP (Controlador Lógico Programável)

... - - . - - .· .· .· .· .

SiNAIS DIGITAIS ••..... . . ' - ... . . . . ..

9:4.1 - Noções em Transmissãode·Dád()$·a) Comunitação Paralela

·...·.·.·..b) Comunicação Serialt) Tipo~deN!odulaçã()

.. }d) Veloçidade d~ Transmissão

(.:;,:.;

~!ilij 9.1 - INTRODUÇÃO

1!11~1! 9.2 - SINAIS PNEUMÁTICOS~~~U1

III!II 9.3 - SINAIS ANALÓGICOS

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~[l~! 9i5 - EXERCICIOS PROPOSTOS~:::::::

•

CAPíTULO 9

c(-a::I­W:Ew..IWI-

TELEMETRIA - TRANSMISSÃO EM INSTRUMENTAÇÃO 99.1- INTRODUÇÃO

Basicamente, telemetria é a técnica de obtenção,processamento e transmissão de dados a distância.Antigamente esses dados eram sinais pneumáticos quecirculavam em uma malha de controle. Depois, com odesenvolvímento tecnológico, vieram os sinaisanalogicos e hoje tem-se os sinais digitais. A nívelindustrial os sinais digitais começarama aparecer a partirda década de 70. Hoje já são bastante comuns, estandopresente nos protocolos HART, Modbus, Fieldbus, etc.

9.2 - SINAIS PNEUMÁTICOS

• Sinais Típicos: 3 a 15 PSI 13 a 27 PSI 10 a30 PSI.

• Países com Sistema Métrico: 0,2 a 1,0kgf/cm2.

• Nas válvulas: 0,6 a 1,4 kgf/cm2 ou 0,8 a 2,4kgf/cm2.

• Linhas de Transmissão: As linhas detransmissão pneumáticas são constituídas detubos de cobre ou vinil de 1/4" (diâmetroexterno). Em casos especiais (atmosferasoxidantes), usam-se tubos de aço inox. Adistância prática para transmissão do campopara o painel é de aproximadamente 150m.Para distâncias superiores, é recomendávelintercalar relés pneumáticos (amplificadores) acada 100m a fim de atenuar os retardas detransmissão. Considera-se viável, a transmissãopneumática até a distância de 500m.

9.3 - SINAIS ANALÓGICOS

• Sinais Típicos: 4 a 20mA 1 10 a 50 mA I O a20 mA 11 a 5 V 10 a 5 V 10 a 10 V.

• Linhas de Transmissão: As linhas de

transmissão para instrumentação eletrônica, sãoconstituídas geralmente de fios de cobre flexívelcom isolamento de até 600 Volts. Os sinais DC

contínuos eliminam a possibilidade de capturarperturbações eletromagnéticas podendo utilizar2 fios blindados.

• Zero Vivo: Utilizado quando adotamos o nívelmínimo de 4 mA, oferece a vantagem depodermos detectar uma avaria (rompimento deum dos fios), que provocaria a queda do sinalabaixo de 0%. Note também, que o nívelmínimo do sinal pneumático não é zero e sim 3

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO

PS I, deste modo, consegue-se calibrarcorretamente o instrumento, comprovando essacalibração como por exemplo no caso de umtransmissor pneumático de temperatura de rangeOa 150°C onde o sensor estivesse com O°C e osinal de saída em 1 PSI, o mesmo visivelmenteseria possível detectar sua descalibração. Se onível mínimo fosse O PSI, não seria possívelfazer esta comprovação rapidamente.

9.4 - SINAIS DIGITAIS

9.4.1 - NOÇÕES EM TRANSMISSÃO DEDADOS

A) Comunicação Paralela

A comunicação paralela é normalmente utilizadapara a troca de informações entre computadorese demais sistemas digitais de alta velocidadequando separados fisicamente em locaispróximos, isto é, com poucos metros deseparação. Por exemplo, impressoras de linhaque utilizam interface de comunicação paralela,devem ficar numa distância máxima de até 15metros do computador.

Considerando-se um caracter composto por oitobits, para realizar-se uma transmissão paralela,necessitaremos obrigatoriamente de oito viaspara a transmissão.

Para tanto é necessário dispormos de umainterface paralela, que é dotada de várias viasque permitem a transferência simultânea deinformações, além de permitir também a trocade sinais elétricos, que controlam o fluxo dasmesmas .

Das interfaces paralelas mais conhecidas, temosa padrão Centronics possuidora de 36 pinos e aData Products,similar à anterior.

B) Comunicação Serial

A transmissão serial é o processo pelo qual, bita bit, é transmitido de forma sequencial por umaúnica linha física. O conjunto de um determinadonúmero de bits, forma um caracter.Podemos classificar a transmissão serial em doistipos:

• Transmissão Serial Assíncrona: o modo

assíncrono trata cada caracter separadamente,transmitindo-o como se fosse um pacote isoladode informação. A sincronização é realizada por

- 9.1 -

bits sinalizadores de partida (Start bit) e deparada (Stop bit). É um bom sistema paratransmitir informações em intervalos nãofrequentes.

necessitando da intervenção do computadorprincipal. Demais características sãosemelhantes a norma anterior.

Padrões de Interfaces de Comunicação: para segarantir o procedimento na conexão entre asmáquinas, houve a necessidade de senormalizar padrões elétricos para os sinaisdigitais a serem transportados.

• EIA-RS 232C: devido a não ser uma interfacedigital de tensão balanceada, e sua saída nãopode ficar em alta impedância (Tri-state), só épossível em aplicações que se restringem apequenas distâncias, baixas taxas decomunicação, linha dedicada e poder participarapenas de comunicação ponto-a-ponto.

• Transmissão Serial Síncrona: natransmissão serial síncrona, os bits de umcaracter são seguidos por outros bits do próximocaracter, não havendo os start bits e os stop bits.O sincronismo da transmissão é conseguidoatravés do envio de um caracter ou caracteresde sincronismo, os quais mantém os osciladoresdo transmissor e do receptor em fase. Quando ovolume de informação a ser transmitida égrande, usa-se este modo de transmissão, nãosó pelo fato de se conseguir velocidades maisaltas bem como pela possibilidade de seproteger melhor os dados transmitidos, uma vezque nesse tipo de transmissão há caracterespara detecção de erros.

D) Velocidade de Transmissão (Baud-rate)

Tensão DC+ 5 Vdc- 5 Vdc

Nível Lógico:O

1

C) Tipos de Modulação

MODEM (Modulador - Demodulador) estãogeralmente associados com transmissão porlinha telefônica, onde o sinal na linha temvalores variando constantemente. Em sistemasde controle distribuído, os bits são transmitidosem estados ON e OFF. Entretanto a ação deinterfaceamento entre a informação binária noarquivo controlador e no highway, tem algumasimilaridade com o modem, de forma que otermo é aceito. Modems utilizam três esquemasbásicos de modulação:>-Modulação em Frequência: (FSK): - é umaforma de onda, onde a frequência portadora émodificada de um valor representado por 1, paraoutro representando por O. Ex: "1" = 1.200 Hze "O" = 2.400 Hz.

>-Modulação em Amplitude (ASK): - opera coma portadora em frequência constante, mas

varia a amplitude para corresponder amudanças de estado. Ex: "1" = 4 Vppe "O" = 2 Vpp.

>-Modulação em Fase (PSK): - modifica a fasedo sinal transmitido por um número espécifico degraus para corresponder a uma formatação deentrada em bits. Ex: "1" = 0° e "O" = 180°.

"...•Tensão DC:3 a 15 Vdc

-15 a -3 Vdc

Nível LógicoO

1

• EIA-RS 485: a comunicação será feita noprocesso master-slave, e também a nívelhorizontal, ou seja, os equipamentos conectadosna rede multidrop poderão, conforme protocolo,permitir a troca de informações entre sí não

• EIA-RS 422: a comunicação sempre seráfeita no processo master-slave (mestre-escravo),sendo que o computador faz o papel de mastere os periféricos se comportam como slave. Istosignifica que todo o gerenciamento dacomunicação será conduzida pelo computadorcentral. Devido ser uma interface digital detensão balanceada e sua saida (Tri-state), épossível encontrar aplicações envolvendo longasdistâncias, altas taxas de comunicação, podendoter vários equipamentos conectados na mesmarede (em paralelo-Sistema Multidrop).

Nível Lógico:O

1

Tensão DC:+ 5 Vdc- 5 Vdc

É definida como o número de bits que sãotransmitidos por segundo. As relações detransmissão de dados mais comuns são: 300,600, 1.200, 4.800, 9.600 e 19.200.

9.4.2 - Protocolo HART

Este protocolo tem seu nome derivado deHighway Address Remote Transducer não épuramente digital. Ele convive com apermanência do sinal analógico de 4 a 20 mA ea modulação FSK (Frequency Shift Key) de umafrequência (1200Hz, nível lógico O e 2400 Hz,nível lógico 1), a uma taxa de 1,31 kbps, e narealidade não foi projetado desde seu início paratrabalhar numa configuração de rede e sim numaatuação entre mestre-escravo. A função inicialdeste protocolo foi permitir a comunicação entreprogramadores ou computadores tipo PC com ostransmissores "smart" (inteligente) para a suaconfiguração, calibração e manutenção. Osucesso deste meio de comunicação foi tão

- 9.2 - SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO

grande que os usuários eXigiram que suautilização fosse estendida para um barramentocom até 15 instrumentos, possibilitando amonitoração de processos lentos e na sequênciado tempo, também foi possível a realização decontrole de malhas simples (com "Ioops" em 4 a20 mA e comunicação digital com umcomputador PC). Este protocolo possui uma fortelimitação que é a velocidade, pois em médiacada transação no barramento ocorre a cada 375ms.

continuam a enviar e receber sinais analógicos.No SOCO, a comunicação digital está em umnível superior, ou seja, dos cartões até asestações e entre as estações.

"ffi\1-14 "ffi\1-15P1D-2

FON

T 1+E 2iOctrTs

\ha1e =(A x N x 25)) + 12

A= 0.004 (J:BalRVl 000.021(J.DCl RQ.

N= r-.ürero re lRV's 00ROi.

Fig. 1 - PROTOCOLO HART

9.4.3 - Noções de SDCD (Sistema Digital deControle Distribuído)

Os profissionais que tiveram a oportunidade deviver a época de lançamento dos SOCOs noinício da década de 70 puderam sentir o quesignificou uma mudança de era de controle: osSOCOs, que receberam este nome como atradução de OCS (Oistributed Control System),significaram uma evolução quando comparadaao OOC (Oirect Digital Control), onde oscomputadores que sozinhos realizavam ocontrole.

No tempo do OOC, se o computador parasse defuncionar se perderia o controle de toda umaplanta.Com o advento do SOCO o controle pôde serdistribuido em diversas placas eletrônicasintenigadas em uma rede. Assim, se uma placaapresentasse defeito e não fosse redundante seperderia somente uma parte do controle daplanta. Não podemos discutir que isto foi umagrande evolução.

Nas arquiteturas SOCO, o controle não éconcentrado em um dispositivo central, masdistribuído entre as estações remotas. A estaçãocentral não é um elemento essencial à

continuidade da operação, mas apenas umdispositivo para facilitar e oferecer maioresrecursos para a interface do operador com oprocesso.

Notem que os transmissores, válvulas, etc,

Fig. 2 - SDCD

SDCD

FontesCartões de ControleCartões de EntradaCartões de SaídaFusível1/0

TerminadorCartões

Fig. 3 - SOCO

9.4.4 - FIELDBUS

O FIELDBUS é uma rede de transmissão de

dados para comunicação com equipamentos de

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO - 9.3 -

instrumentação e controle de plantas industriais,tais como transmissores, atuadores econtroladores, podendo, inclusive ser utilizadoem aplicações que requeiram especificaçõesquanto aos requisitos de segurança intrínseca.

Esta rede é do tipo digital, serial, half-duplex emultidrop. Ela é digital porque as informaçõessão transmitidas em forma de mensagens deacordo com as camadas de comunicaçãodefinidas pelo protocolo Fieldbus; serial, porqueas informações são transmitidas e recebidasbyte-a-byte; half-duplex, porque a comunicaçãoé bidirecional, porém, em uma única direção acada instante e multidrop, porque é permitida acomunicação entre vários equipamentosconectados à rede, realizando funções decontrole e monitoração de processos e estaçõesde operação (IH M) através de softwaressupervisórios.

Fig.5 - TíPICA INSTALAÇÃO FIELDBUS

Fig. 4 - COMUNICAÇÃO BIDIRECIONAL

Observe-se na figo 5, uma típica instalaçãoFieldbus. As placas chamadas PCls sãomontadas dentro de um PC normal. Em cada

placa temos 4 canais. Cada canal decomunicação (pela norma) pode-se conectar até12 instrumentos Fieldbus. Uma CPU de nossoPC comporta até 8 PCls. Em um cálculo rápidoconcluimos que em em único computadorpodemos conectar 384 equipamentosFieldbus.Em algumas aplicações já secolocaram até 16 equipamentos por canal semhaver nenhum conflito em termos de

comunicação.

Na figo 6 podem ser comparados os 3 sistemas.No DDC, se o computador falhar, todo oprocesso seria perdido. No DCS, se ocomputador falhar, os cartões continuam aoperar e se algum cartão falhar, apenas parte doprocesso será perdido. No FCS (Fieldbus), ainteligência está distribuída no campo (SDCVD ­Sistema Digital de Controle VerdadeiramenteDistribuído) enquanto que no SOCO ainteligência está distribuída nos cartões.

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DESTAÇÃO DA

MANUTENÇÃO

FEEDBACK ti.PV2

o protocolo FIELOBUS elaborado pelaFIELDBUS FOUNDATION é normalizado pelaISA (Instrument Society of America) paraprocessos (plantas) industriais e de manufaturae foi desenvolvido baseado no padrão ISO/OSI(/nterconexão de Sistemas Abertos). Emboranão contenha todos os níveis, podemos emprimeira análise dividi-Ia em nível físico (quetrata das técnicas de interligação dosinstrumentos) e níveis de software que tratam dacomunicação digital entre os equipamentos.

Na ausência ou mesmo demora na definição dopadrão internacional pelo IEC (InternationalElectrotecnical Comission), vários outros"FIELDBUS" postulam a posição de padrão defato. Os mais se destacam são: HART,PROFIBUS, FIP, ISP, WORDFIP e DEVICE­NET.

DESTAÇÃO DAOPERAÇÃO

COMUNICAÇÃO BIDIRECiONAL

Fig. 6 - SISTEMAS DDC, DCS E FCS

- 9.4- SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO

!11!illlillll~~~IIIII~!Il.itlllt'~~lt'~~~I~I~~il:lllll

Tecnologiadominante

Pneumática Anlllógic.a Digital Fieldbu5

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de registros auxiliares, limpeza de display epreparação de teclado se existir IHM (InterfaceHomem-Máquina).

Após estes testes ou condições de inicializaçãoa UCP (Unidade Central de Processamento)executa o programa de usuário em um loopfechado, só saindo deste loop fechado quando oCP (Controlador Programável) possuir o recursode interrupção de software ou de hardware, elepara de executar o programa principal e executao que nós podemos chamar de programasecundário ou de interrupção .

INICIO ]

• PROGRAMAÇÃO

A primeira rotina que o loop fechado executa éa atualização das entradas, depois verifica alógica do programa de usuário e por fim atualizaas saídas, efetuando assim o acionamento físicodos atuadores, conforme diagrama em blocosda figo 9.

Fig. 9 - FUNCIONAMENTO DO CLP

Cada fabricante de CP possue uma linguagemprópria com recursos próprios, atualmente nãoexiste uma padronização para programação dosCPs. Mas existe a utilização de umarepresentação gráfica parecida para todos osfabricantes, chamada diagrama de RELÉ ouCONTATOS ou LADDERS. O diagrama de relésfoi desenvolvido para parecer o mais próximopossível com o diagrama elétrico, para que oseletricista da época pudecem converterfacilmente estes, em diagramas de relés paraprogramação do CP, para facilitar e também terboa aceitação no mercado.

11 1

Fig. 7 - EVOLUÇÃO DOS SISTEMAS

MÁoo~ouPRXESSO It\l:X.JSTRAL

9.4.5 - Noções de CLP ou CP

o Controlador Lógico programável é umequipamento eletrônico e microprocessado,destinado a comandar e monitorar máquinas ouprocessos industriais, através do recebimento desinais de entrada provenientes de sensoresdiversos, botoeiras, chaves, etc. Este sinalrecebido é processado pelo cartão de entradadigital ou analógica, esta informação é enviadapara a CPU que executa o programa de usuário,e o resultado desta operação resulta na ativaçãoou não dos atuadores através dos cartões desaída digital ou analógica por exemplo.

CP

• PRINcíPIO DE FUNCIONAMENTO.

• Limpeza das memórias imagens de entradase saídas;• Teste de escrita e leitura da memória;• Teste de executabilidade do programa deusuário;• Execusão de rotinas de inicialização, limpeza

Fig. 8 - CONTROLADOR PROGRAMÁVEL

Quando energizamos o ControladorProgramável são executados vários testes antes daexecusão do programa de usuário, são eles:

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO - 9.5 -

Verificar na figo 10 as funções básicas dodiagrama de relés.

--j ~ contato aberto

----Yf---- contato fechado

---( ) ativação de saída

Fig. 10 - DIAGRAMA DE RELÉS

• Exemplo de diagrama de relés:

- 9.6 -

I

I

Fig. 11 - DIAGRAMA DE RELÉS

(( li

INSTRUM_CAP _09WPD - 02109/98 - PEM

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO

? L ~~~~u 1_: ~

9.5 - EXERCíCIOS PROPOSTOS

1- Na figo 12, relacionando os sinais de entrada e saídade um transmissor (TRM) analógico, determinar:

a) Qual é o sinal de saída do transmissor, paraum valor de temperatura(INPUT) de 360°C?b) Range do TRM de temperatura: 100 a 500°Cc) Sinal de saída(OUTPUT) : 4 a 20 mA

Resp.: mA

100%

L

-100mmca

-900 mmca

- 20 mA

10,08 mA

4 mA

100% 500°C 20 mA

INPUT SAlDA DO LT

(OUTPUT)

? 3S:~C ~J?Fig.13

o l1000c

INPUT

Fig.12

4mA

SAíDA 00 TI(OUTPUT)

2- Determinar o sinal de entrada (INPUT) de umtransmissor de nível (LT), relacionado a um sinal desaída (OUTPUT) de 10,08 mA. Ver figo 13.

a) Range do LT : - 900 a -100 mmHpb) Sinal de saída(OUTPUT) : 4 a 20 mA

Resp.: mmH20

SMAR - CENTRO DE TREINAMENTO - 9.7 -