Historia FieldBus

Fundamentos

DeTelecomunicaes

Prof.: Jnio Medeiros

Alunos: Fabrcio Almas

Jonathan Gabry

Marcio Elizio---------- Sumario ----------

Introduo s Redes Industriais

3

Rede sensorbus - dados no formato de bits

Rede devicebus - dados no formato de bytes

5

Rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens 5Historia FieldBus

5O que a rede Fieldbus?

6As principais caractersticas so:

6Conceito FieldBus

Caractersticas Tcnicas

7Consideraes e limitaes

8Topologias de Rede 9

Barramento 9

Ponto a Ponto 10

End-to-end 10

Mista 11Ciclo de superviso de parmetros na rede FIELDBUS 11Normas de qualificao 12Resumo Dos 8 tipos padres de FieldBus 13Tipo 1 - Fieldbus Foundation: 13Tipo 2 ControlNet 13Tipo 3 Profibus

14Tipo 4 - P-Net 14Tipo 5 - Fieldbus Foundation High Speed Ethernet 14Tipo 6 SwiftNet

14Tipo 7 WorldFip

14 Tipo 8 Interbus

14Projeto de Sistemas Fieldbus

15Normas de Segurana

16

Concluso

16Introduo s Redes Industriais Informao atualmente a palavra-chave em muitas empresas mundo afora. No s as que trabalham diretamente com Informtica, mas tambm as do ramo industrial esto sendo afetadas pelos avanos nas tecnologias de transmisso de dados. A integrao entre os diversos nveis de equipamentos e sistemas de controle tem se tornado essencial para alcanar-se o aumento de eficincia, flexibilidade e confiabilidade dos sistemas produtivos. Tal como nos outros mercados de comunicao de dados (Telefonia, Rdios, Emissoras de Televiso, Internet, etc.), os sistemas de transmisso de dados nas indstrias comearam de forma bastante simples, utilizando conexes do tipo serial RS-232 e RS-485. Porm, com o passar do tempo, as indstrias foram desenvolvendo sistemas mais complexos, com tecnologias prprias, protocolos, softwares e hardwares apropriados para suas necessidades. Redes industriais so essencialmente sistemas distribudos, ou seja, diversos elementos trabalham de forma simultnea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, atuadores, CLP's, CNC's, PC's, etc.), necessitam estar interligados e trocando informaes de forma rpida e precisa. Um ambiente industrial , geralmente, hostil, de maneira que os dispositivos e equipamentos pertencentes a uma rede industrial devem ser confiveis, rpidos e robustos. Para implementar-se um sistema de controle distribudo, baseado em redes, h a

necessidade de estudos detalhados acerca do processo a ser controlado, buscando-se o sistema que melhor se adeque s necessidades do usurio. Os fabricantes de sistemas de integrao industrial tendem a lanar produtos compatveis com sua arquitetura prpria, o que leva a graves problemas de compatibilidade entre as diversas redes e sub-redes presentes nos sistemas, em diversos nveis, equipamentos, dispositivos, hardware e software.Essa a vantagem das arquiteturas de sistemas abertos, que tendem a seguir padres, de maneira que o usurio pode encontrar diversas solues diferentes para o mesmo problema.

As redes industriais so padronizadas em 3 nveis hierrquicos responsveis pela

interconexo de diferentes tipos de equipamentos. O nvel mais alto geralmente o que interliga os equipamentos responsveis pelo planejamento da produo, scheduling, controles de estoque, estatsticas de qualidade, previses de vendas, etc. Geralmente implementado utilizando-se softwares gerenciais, tais como sistemas SAP, Arena, etc. O protocolo TCP/IP, com padro ethernet o mais utilizado nesse nvel. No nvel intermedirio, onde temos os CLP's e CNC's, principalmente, trafegam informaes de controle a nvel de mquinas, ou seja, informaes a respeito do status de equipamentos tais como robs, mquinas-ferramentas, transportadores, etc. O terceiro nvel, mais baixo, o que se refere parte fsica da rede, onde localizam-se os sensores, atuadores, contatores, etc.

Figura 1.2 Nveis de redes industriais.

Figura 1.3 Tipos de equipamento em cada nvel de uma Rede Industrial.A classificao das redes industriais baseada nos trs nveis, mas no exclusiva para cada um. O tipo de equipamento conectado por cada tipo de rede industrial mostrado na Figura 1.3, cuja diviso mostrada a seguir:

Rede sensorbus - dados no formato de bits

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicao rpida em nveis discretos e so tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes no almejam cobrir grandes distncias, sendo sua principal preocupao manter os custos de conexo to baixos quanto for possvel. Exemplos tpicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop. Rede devicebus - dados no formato de bytes

A rede devicebus preenche o espao entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distncias de at 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede tero mais pontos discretos, alguns dados analgicos ou uma mistura de ambos. Alm disso, algumas destas redes permitem a transferncia de 6 blocos em uma menor prioridade comparado aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferncia rpida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo so DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), Profibus DP, LONWorks e INTERBUS-S. Rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distncias maiores. Os equipamentos acoplados rede possuem inteligncia para desempenhar funes especficas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informaes e processos. Os tempos de transferncia podem ser longos mas, a rede deve ser capaz de comunicar-se por vrios tipos de dados (discreto, analgico, parmetros, programas e informaes do usurio). Exemplos de redes fieldbus incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.

Historia FieldBus

Na dcada de 40, os processos de instrumentao utilizavam sinais de presso da ordem de 3 a 15 psi para o monitoramento de dispositivos de controle. J na dcada de 60, foi introduzida a utilizao de um padro com sinal de 4 a 20 mA para instrumentao. Apesar desse padro, muitos nveis de sinais, que no atendiam a especificao, foram utilizados para representar a sada de diversos dispositivos. A transio dos sinais pneumticos para eltricos trouxe muitas vantagens aos sistemas industriais, tais como: reduo de rudo, maior facilidade de implantao e manuteno, aumento da confiabilidade, etc. O desenvolvimento de processadores digitais na dcada de 70 deu incio ao uso de computadores para monitorar e controlar uma srie de instrumentos a partir de um ponto central. A natureza especfica das tarefas a serem controladas j apontava para a necessidade de que os instrumentos e os mtodos de controle seguissem uma padronizao. Na dcada de 80 os sensores inteligentes comearam a ser desenvolvidos e utilizados em sistemas microcontrolados, que aliavam confiabilidade e rapidez, ao baixo custo. Esta tendncia gerou um movimento nos fruns internacionais, ISA, (Instrument Society of America), IEC (International Electrotechnical Commission), Profibus (German national standard) e FIP (French national standard), para formar o comit IEC/ISA SP50 Fieldbus, cujo objetivo seria a criao e especificao de normas e padres para instrumentao. O padro a ser desenvolvido deveria integrar os diferentes tipos de instrumentos de controle, proporcionando uma interface para a operao de diversos dispositivos simultaneamente e um conjunto de protocolos de comunicao para todos eles. Devido a diversidade de produtos e mtodos de implementao, o processo de padronizao se tornou lento, no permitindo uma soluo direta e simples para ser padronizada. Em 1992, dois grandes grupos lideravam o mercado para solues de interligao de instrumentos de campo: ISP (Interoperable Systems Project);

WorldFIP (Factory Instrumentation Protocol);

Ambas possuam diferentes vises de implementao das redes fieldbus, mas garantiam que iriam alterar seus produtos assim que a norma SP50 estivesse formalizada Em setembro de 1994, WorldFIP e ISP, juntaram-se criando a Fieldbus Foundation (FF), com o objetivo de acelerar o processo de normalizao das redes fieldbus . Durante diversos anos companhias ao redor do mundo engajaram-se em testar o padro Fieldbus em pequenas plantas em funcionamento. O objetivo destas companhias era testar a aplicabilidade do Fieldbus em suas plantas. Esta foi a melhor maneira de visualizar a escala de aplicao do Fieldbus . A busca pela padronizao internacional das redes Fieldbus originou uma guerra mundial para a busca de um padro. Como tal deciso estava longe de ser alcanada o comit SP50 decidiu padronizar em apenas 4 nveis a rede Fieldbus. Atualmente, diversas indstrias j adotam as redes Fieldbus, seja adaptando plantas j existentes, ou mesmo projetando novas plantas inteiramente interligadas segundo os padres. Muitas pesquisas tm sido feitas no sentido de melhorar ainda mais o padro, de forma que as discusses esto longe de um fim.

O que a rede Fieldbus?

Foundation Fieldbus uma rede digital para equipamentos de campo industriais.

As principais caractersticas so:

- Comunicao digital em dois sentidos

- Desenvolvida para controle e automao- Conexo de equipamento em rede usando um nico par de fios

- Disponibilidade de blocos funcionais de controle de processo (como o PID) dentro dos equipamentos de campo

- Controle de processo distribudo no campo

- Arquitetura aberta desenvolvida e administrada pela Fieldbus Foundation

- Energia para equipamentos fornecida pelo barramento de comunicao (tipicamente)Conceito FieldBusO FIELDBUS um protocolo desenvolvido para automao de Sistemas de Fabricao, elaborado pela FieldBus Foundation e normalizado pela ISA-The. International Society for Measurement and Control. Como pode ser observado da figura anterior, o protocolo Fieldbus visa a interligao de instrumentos e equipamentos, possibilitando o controle e monitorao dos processos.

Geralmente utilizado com os chamados Softwares Supervisrios (SCADA, etc.), que permitem a aquisio e visualizao desde dados de sensores at status de equipamentos.

Figura 3.1 Operao conjunta: Softwares Supervisrios+Fieldbus+Instrumentos.Caractersticas TcnicasO Fieldbus no apenas uma substituio do sinal de transmisso analgico de 4 a 20 mA por um digital, interligando os instrumentos de campo a sala de controle. Algumas vantagens desta nova tecnologia so:

Reduo no custo de fiao, instalao, operao e manuteno de plantas industriais;

Informao imediata sobre diagnstico de falhas nos equipamentos de campo. Os

problemas podem ser detectados antes deles se tornarem srios, reduzindo assim o

tempo de inatividade da planta;

Distribuio das funes de controle nos equipamentos de campo - instrumentos de

medio e elementos de controle final. Sero dispensados os equipamentos dedicados

para tarefas de controle;

Aumento da robustez do sistema, visto que dados digitais so mais confiveis queanalgicos;

Melhoria na preciso do sistema de controle, visto que converses D/A e A/D no so

mais necessrias. Consequentemente a eficincia da planta ser aperfeioada. O Fieldbus no representa uma paixo tpicas por novas tecnologias e sim a

reduo de aproximadamente 40 % nos custos de projeto, instalao, operao e

manuteno de um processo industrial.

Impacto nos novos sistemas de controle:

Reduo de custo de engenharia;

Reduo de cabos, bandejas, borneiras, etc.;

Melhoria na qualidade das informaes;

Os transmissores transmitem muito mais informaes;

Os equipamentos indicam falha em tempo real;

Facilidade na manuteno;

entre outros.

Consideraes e limitaes

Um importante aspecto na concepo de um projeto fieldbus a determinao de como sero instalados os equipamentos que faro parte da rede. Dessa forma devem ser consideradas as distncias mximas permitidas entre os equipamentos, ou seja, deve-se ter em mos a planta onde ser efetuado o projeto para a determinao dos melhores pontos para instalao dos equipamentos de forma a otimizar ao mximo o comprimento do barramento (trunk) e das derivaes (spurs)outras caractersticas tambm devem ser consideradas tais como: nmero mximo de equipamentos ligados uma mesma rede (um fator limitante pode ser a fonte de alimentao que deve alimentar todos os transmissores, caso obarramento seja energizado), a topologia utilizada na implementao dos equipamentos(ver prxima seo) e os elementos que constituiro a rede fieldbus conjuntamente com os equipamentos (dispositivos que permitam facilidade e agilidade quando for solicitado algum tipo de manuteno com um determinado equipamento, como por exemplo as caixas de campo).Outro ponto a ser analisado refere-se utilizao de barreiras de segurana intrnseca e redundncia dos equipamentos. Deve-se fazer uma anlise preliminar destas caractersticas no ambiente de instalao do sistema visando a maior otimizao possvel no que se refere s instalaes dos equipamentos (nmero de equipamentos e comprimento de cada barramento), caso se faa necessrio a utilizao destes recursos.

Topologias de Rede

Geralmente so utilizadas 4 topologias bsicas em sistemas Fieldbus:

1. Barramento: constitue-se de um barramento nico onde os equipamentos so

ligados de forma direta, ou indireta (via barramentos secundrios).

2. Ponto a Ponto: os equipamentos so todos ligados em srie. Neste caso obrigatria a redundncia de conexes, de forma a garantir que a remoo/insero de um equipamento no venha a interromper a comunicao.

3. rvore: alguns equipamentos denominados Concentradores conectam diversos

equipamentos, e interligam-se com outros Concentradores. Esta topologia tambm

conhecida como P de Galinha.

4. End-to-end: Esta topologia utilizada quando se conecta diretamente apenas dois equipamentos. Esta ligao pode estar inteiramente no campo (um transmissor e uma vlvula sem nenhum outro equipamento conectado) ou pode ligar um equipamento de campo (um transmissor) ao Device Host.

H tambm a possibilidade de utilizar-se topologias mistas, que baseiam-se na utilizao das topologias acima de forma misturada, por motivos diversos, tais como: segurana, otimizao,espaamentos, configurao, etc.

Tempo de ciclo de superviso de parmetros na rede FIELDBUS

Um importante aspecto quando se trabalha com sistemas FIELDBUS o tempo gasto para que todos os devices da linha possam "publicar" parmetros de controle emonitorao de um processo. Este tempo deve ser minimizado tanto quanto possvel, pois pode-se comprometer o tempo de atualizao dos links entre os blocos funcionais que operam na malha de controle em relao a velocidade do processo. A atualizao dos links feita a cada Macro Cycle (MC) e este tempo pode variar dependendo do tipo de instrumento e seus parmetros para publicao. Num projeto, deve-se verificar o tempo do MC para comparar com o tempo crtico do processo e verificar se o MC deste barramento no compromete a dinmica do processo. O tempo de ciclo em um barramento Fieldbus Foundation dividido em Trfego Operacional (onde esto publicadas as informaes de controle), que tem funo cclica e Trfego acclico (onde so publicadas informaes no de controle, como por exemplo dados de monitorao ou atuaes vindas do software supervisrio).O tempo de trfego acclico pode ser definido e configurado pelo usurio atravs do software SYSCON (o tpico 100 mseg).

O tempo de trfego cclico pode ser determinado pelo maior valor entre:

a somatria dos tempos de execuo dos blocos funcionais de cada device, e o clculo do nmero de links externos (entre os devices ) multiplicados por30mseg.

Normas de qualificao

FIELDBUS: NORMA IEC 61158

Em contrapartida, no ambiente industrial o cenrio completamente diferente. A utilizao de redes de comunicao para ambientes industriais, coincidentemente, tambm se iniciou na dcada de 70, porm, somente durante a dcada de 80 houve um aumento significativo de sua utilizao. Neste artigo, utilizaremos Fieldbus como um termo genrico para designar as redes de comunicao industriais que possibilitam a comunicao digital entre sistemas de controle e dispositivos de campo, como vlvulas, atuadores, instrumentos de medio, etc.Durante a dcada 80, um grande nmero de sistemas Fieldbus estavam disponveis no mercado, sendo que, a grande maioria, era de tecnologia proprietria, no existindo compatibilidade entre si. A competio feroz fez com que muitos destes sistemas Fieldbus desapareceram ou permaneceram restritos a pequenos nichos de mercado. Era evidente a necessidade de uma norma que especificasse regras rgidas, de forma a estabelecer a ordem no mercado e resgatar a confiana do usurio. Em 1985, iniciou-se um esforo internacional de padronizao, conduzido pelo IEC (International Electrotechnical Commission), uma organizao internacional de padronizao de normas tcnicas, da qual o Brasil faz parte como membro. Depois de quinze longos anos, em 2000, foi finalizada a norma, denominada IEC 61158, com a adoo de 8 diferentes tipos de Fieldbus.

Tipo 1Fieldbus Foundation

Tipo 2ControlNet

Tipo 3Profibus

Tipo 4P-Net

Tipo 5Fieldbus Foundation High Speed Ethernet

Tipo 6SwiftNet

Tipo 7WorldFip

Tipo 8Interbus

IEC 61158 os 8 tipos adotados como padro

Infelizmente, o trabalho do IEC 61158 foi demorado e improdutivo devido conflitos comerciais entre empresas concorrentes de sistemas Fieldbus e presses polticas sobre o grupo de trabalho do IEC. Vrios autores utilizam a expresso Fieldbus War para caracterizar este ambiente turbulento. A incapacidade de adotar um nico padro e a deciso poltica de especificar 8 diferentes tipos de Fieldbus, no compatveis entre si, contribuiu, definitivamente, para o fracasso do IEC 61158.

Resumo Dos 8 tipos adotados de FieldBus adotados como padro.

Tipo 1 - Fieldbus Foundation:O termo fieldbus descreve uma rede de comunicao digital que veio substituir o sistema de sinal analgico 4 - 20mA existente ainda hoje nas indstrias. O fieldbus pode ser definido como uma rede digital, bidirecional (de acesso compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primrios de automao (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automao e controle de processos.

Tipo 2 ControlNetControlNet um protocolo aberto de rede industrial para aplicaes de automao industrial, tambm conhecido como um fieldbus. Caractersticas que definem ControlNet para alm de outras Fieldbus incluem o suporte interno para cabos totalmente redundante e ao fato de que a comunicao na ControlNet pode ser estritamente programados e altamente determinista.

Tipo 3 Profibus

PROFIBUS (Field Bus Process) um padro para campo de bus de comunicao em automao de tecnologia e foi promovido em 1989 pelo BMBF (departamento alemo de ensino e pesquisa).

Tipo 4 - P-Net

Tipo 5 - Fieldbus Foundation High Speed EthernetHSE (alta velocidade Ethernet) funciona a 100 Mbit / s e, geralmente, liga de entrada / sada subsistemas, sistemas de acolhimento, dispositivos de unio, gateways e dispositivos de campo com cabeamento Ethernet padro. Ela no fornece energia atravs do cabo, embora o trabalho est em andamento para resolver esta questo.

Tipo 6 SwiftNet

SWIFTNet InterAct em tempo real um cliente-servidor protocolo. O remetente da mensagem o cliente. O receptor da mensagem o servidor:

client: envia um pedido para o receptor. O pedido contm a carga da mensagem a ser enviada.

servidor: recebe o pedido.

servidor: processa a carga da mensagem e determina a resposta.

servidor: envia a resposta.

cliente: recebe a resposta.Tanto o cliente e o servidor tem que estar conectado rede simultaneamente, a fim de trocar mensagens com sucesso.

Tipo 7 WorldFip

WorldFIP: uma tecnologia nica e consistente para todos os nveis do sistema fieldbus, combinando os mundos do circuito fechado e controle de tecnologia da informao em um nibus. WorldFIP aceito tecnologia para contratos internacionais, e uma norma europeia (EN50170). Isso garante sua estabilidade e abertura, e garante

WorldFIP que uma tecnologia preferida para todas as aplicaes no setor pblico e indstrias de utilidade toda a Unio Europeia. Com a base de usurios que mais cresce no mundo e uma resposta completa em uma nica tecnologia, WorldFIP oferece a soluo mais prtica e comprovada.

Tipo 8 InterbusINTERBUS um barramento serial sistema que transmite dados entre sistemas de controle (por exemplo, PCs , PLCs , VMEbus computadores, robs controladores, etc.) e mdulos espacialmente distribudos I / O que so conectados a sensores e atuadores (por exemplo, sensores de temperatura, interruptores de posio) .O sistema foi desenvolvido pelo INTERBUS Phoenix Contact e est disponvel desde 1987. um dos principais Fieldbus sistemas na indstria de automao e so totalmente padronizados de acordo com a Norma Europeia EN 50254 e IEC 61158.No momento, mais de 600 fabricantes esto envolvidos na implementao da tecnologia INTERBUS em sistemas de controle e os dispositivos de campo.Projeto de Sistemas FieldbusAlgumas consideraes bsicas devem ser feitas quando da construo de projetos Fieldbus. Aspectos como distncias entre equipamentos, nmero de equipamentos a serem ligados, previses de expanso, fontes de alimentao, topologia, segurana e redundncia devem ser levados em conta, visto que mesmo pequenas falhas, em aplicaes crticas, podem levar a srios prejuzos.A seguir temos a arquitetura de uma rede Fieldbus, onde podemos observar a estao de superviso, uma placa de interface com mltiplos canais, o barramento linear, terminador do barramento (BT-302 ), fonte de alimentao (PS-302), impedncia ( PSI-302 ) e diversos instrumentos, inclusive um CLP com placa de interface para o barramento.

(Diagrama fornecido pela SMAR).Na figura seguinte podemos observar com mais detalhes a instalao de um

barramento linear Fieldbus, tambm observamos a redundncia das placas de interface.

Normas de Segurana

Ambientes fabris so geralmente hostis e perigosos, com a presena de materiais

inflamveis, gases, produtos qumicos, etc., tambm chamados reas Classificadas. Ao elaborar-se projetos para ambientes desse tipo, qualquer projeto que seja, normas de segurana devem ser seguidas rigorosamente, de modo a evitarem-se riscos a pessoas e equipamentos.As normas que regem os sistemas Fieldbus no fogem regra, e tambm determinam algumas caractersticas para garantir a segurana do sistema. A classificao das reas baseada no tipo de substncias presentes, e as normas de segurana regem especificaes de blindagem, vedao, tipos de instrumentos, faiscamento e auto-extino de chamas.

Concluso

Neste trabalho buscou-se uma introduo s Redes Industriais, com maior detalhamento dos conceitos relativos s tecnologias associadas aos sistemas Fieldbus. A origem e a importncia da padronizao dentro das indstrias, bem como a insero do Fieldbus nesse meio, forma discutidas em nvel apenas introdutrio, visto ser esse um assunto bastante vasto e ainda insipiente. As vantagens advindas da implantao de sistemas Fieldbus foram abordadas e explicadas sucintamente, de modo a demonstrar os benefcios de sua utilizao.

Referncia:Internet em Geral.

http://www.cic.unb.brJones Yudi Mori Alves da Silva Marcelo Messias F. Cruz e Menezes Rosado Redes Industriais FIELDBUS

http://albt.tripod.com/fieldbus.htmFieldbus Foundation - http://www.fieldbus.org/Apostila Curso Ps-Tcnico em AUTOMAO: FIELDBUS - Mdulo : Intermedirio Professor: WILLIAM DA SILVA VIANNAIntroduo ao Fieldbus - Instrumentao Industrial-Aluno: Jos Alves do Nascimento

Redes de Comunicao em Automao industrial - Helder Anibal Hermini

Implementaro de Projetos com Foundation Fieldbus - Helder Anibal HerminiPAGE 22