Uma visão geral sobre Fieldbuses1

Lúcia R.H.R. FrancoEscola Federal de Engenharia de Itajubá

Coordenadora do Comitê Fieldbus do COBEI/ABNTlfranco@iee.efei.br

IntroduçãoEste artigo tem como objetivo dar uma visão geral dos protocolos destinados ao

barramento de campo, também conhecidos como fieldbuses. Maiores informações podemser obtidas no site do Grupo de Automação e Informática Industrial da EFEI(http://www.iee.efei.br/~gaii/index.htm) que está sendo constantemente atualizado, a partirde pesquisas, palestras e cursos internos e/ou externos promovidos para empresas,graduação e pós-graduação.

Aplicações na automaçãoA automação está diretamente ligada aos equipamentos que controlam qualquer

processo ou planta.Qualquer planta atualmente, já necessita de mais de um equipamento para sua

automação, seja para interligar funções de controle ou interligar controle com supervisão.Isto exige um meio de comunicação entre eles para a troca de informações dos processos.

Até alguns anos atrás, a rede tornava-se viável a partir de placas instaladas nesteequipamentos, ou mesmo por funções desempenhadas em equipamentos específicos, queusavam diferentes protocolos desenvolvidos por cada um de seus fabricantes. E estesfabricantes só visavam a comunicação entre seus próprios equipamentos, geralmenteespecíficos para uma determinada área de aplicação.

A possibilidade de um único protocolo para diferentes áreas agitou o mercado e vemsendo discutida na elaboração de uma norma internacional para o fieldbus desde 1985,tanto pela ISA – International Society for Measurement and Control como pelo IEC –International Eletrotechnical Committee.

Eis algumas das aplicações usuárias desta tecnologia: automação de sub-estações,de usinas de energia elétrica, predial, automobilística, petrolífera, alimentícia, farmacêutica,naval, aeronáutica e de outros diversos processos de manufatura e de controle de processos.

A definição inicial do fieldbusA definição tradicional para fieldbus foi, inicialmente, uma rede digital serial

multiponto que conecta dispositivos de campo (sensores e atuadores) e de controle (PCsindustriais, PLCs, reguladores, etc). Sua especificação envolve a definição do protocolo,como em toda rede de uso geral.

No entanto, com a introdução da capacidade de distribuir o controle, o conceito dofieldbus abrange, atualmente, muito mais do que simplesmente uma rede.

1 Nas definições atuais, existem nomes diferentes de acordo com a complexidade das funções

implementadas em cada um deles. Estes nomes são: Fieldbus, Devicebus ou Sensorbus.

A história do fieldbusInicialmente, seu objetivo era substituir o cabeamento que ligava cada sensor ou

atuador a seu equipamento de controle (Figura 1 e Figura 2) por somente um barramento(Figura 3 e Figura 4) que conectasse todos os sensores, atuadores e equipamentos decontrole.

PLC

Figura 1 – PLC, seus dispositivos de campo e seus cabos interligando-os

INPUTS

OUTPUTS

CPU

SENSOR 1SENSOR 2

SENSOR 3SENSOR 4

SENSOR 5SENSOR N

ATUADOR 1ATUADOR 2

ATUADOR 3ATUADOR N

Figura 2 – Arquitetura tradicional do PLC

As vantagens do fieldbusAssim, uma das mais reconhecidas e discutidas vantagens do fieldbus é a redução

do cabeamento. No entanto, a experiência tem mostrado que se obtém muitas vantagens amais com seu uso.

Entre elas, podem ser citadas:

• a capacidade de transmitir, através de um protocolo digital, informaçõesrelativas a diagnósticos de cada instrumento. Esta capacidade pode preverproblemas nos dispositivos antes que eles causem problemas no sistema;

• a capacidade de comunicação dos dados em unidades de engenharia, em vez devariáveis proporcionais representativas de uma grandeza. Em vez de setransmitir uma grandeza física proporcional a 4-20 mA, por exemplo, transmite-se uma combinação binária com o valor da grandeza. Isto evita que o dispositivoque recebe esta grandeza tenha que convertê-la antes de usá-la, para descobrirquanto ela equivale, poupando sua capacidade de processamento para executaroutras funções;

• a capacidade de permitir a programação dos dispositivos à distância;• a capacidade de verificação dos dados. São adicionados às variáveis

transmitidas, bits que ajudam a verificar a correta recepção dos dadostransmitidos;

• a capacidade de programar cada dispositivo para trabalhar numa faixa diferente,conforme desejado num determinado processo;

• a distribuição do controle, explicada mais adiante;• etc.

O desejo do usuário de um sistema aberto e a necessidade dapadronização

Existem diferentes dispositivos de campo. Muitos deles são produzidos pordiferentes fabricantes. Assim, estes fabricantes logo constataram que para que estesdispositivos operassem numa mesma rede, seria necessário um protocolo definido emcomum acordo entre eles. Não seria possível conviver com protocolos proprietários comoconviveram no passado as redes comerciais, onde um determinado fabricante podiaproduzir todos os periféricos necessários para várias configurações de rede, segundo seuprotocolo proprietário e sem depender de outros fabricantes. Deste modo, o usuário queescolhesse uma marca, ficava nas mãos deste fabricante: somente ele conhecia seuprotocolo e sabia desenvolver produtos para seus modelos específicos. Assim, a escolha dousuário ficava restrita aos produtos e preços especificados por este fabricante.

Portanto, era preciso um protocolo que permitisse que todos os fabricantes tivessemacesso para constituírem um só sistema formado pelos diferentes dispositivos. Deste modo,iniciou-se uma discussão de um protocolo internacional, liderado pela ISA e finalmenteseguido pelo IEC, cuja norma recebeu o código IEC 61158 (anteriormente referida comoIEC 1158).

CPU

SENSOR N

ATUADOR NATUADOR 2

SENSOR 1SENSOR 2

SENSOR 3

ATUADOR 1

REDE

Figura 3 – PLC ou PC industrial com placa de rede substituindo placas de I/O

Propostas intermediárias para um fieldbusNo momento em que a norma iniciou sua discussão, era esperado uma demora até

sua definição final, e então surgiram algumas propostas visando usufruir imediatamente dasvantagens de um barramento com comunicação digital sem esperar a especificação final.Basicamente, estas propostas apresentavam uma arquitetura que substituíam as placas deI/O dos PLCs (ou de PCs industriais executando o controle) por uma placa de rede fieldbus,segundo um padrão qualquer (Figura 3). Esta placa dispunha e dispõe até hoje de memóriasque armazenam as variáveis de entrada e as de saída. As variáveis de entrada são cópias dosestados das entradas (chaves, botoeiras, sensores de temperatura, tensão, corrente, etc), eque são transmitidas vindas das entradas pelo barramento até a placa. As variáveis de saída(valores de tensão, dos ângulos de abertura de válvulas, etc) são enviadas pela CPU do PLC(ou do PC industrial) através da placa e enviadas através do barramento para cada saída doprocesso (motores, válvulas, drivers, etc).

Importante notar que para estas arquiteturas, nada muda no programa de controletradicional. Ele continua sendo executado no PLC ou no PC industrial (portanto, comcontrole centralizado). Apenas, em vez do programa ler as entradas em cada dispositivo deentrada ou escrever em cada dispositivo de saída, ele irá fazê-los na memória da placa derede. E a placa de rede fará a interface entre o PLC ou PC industrial, e os I/Os (entradas esaídas).

A maior parte dos produtos disponíveis para fieldbus atualmente, usa estaarquitetura.

PLC

PC

Figura 4 – Arquiteturas de fieldbus com controle no PLC e no PCrespectivamente

Figura 5 - Uma das arquiteturas típicas do fieldbus com controle distribuído

O aparecimento de barramentos de campo para áreas diversasNeste meio tempo, algumas empresas se alinharam e formaram grupos. Estes grupos

ou desenvolveram um protocolo comum ou adotaram um protocolo já desenvolvido poruma delas. Estes protocolos destinaram-se às áreas de aplicação diferentes.

Inicialmente, para interligação dos PLCs da Siemens, foi desenvolvido eimplementado o protocolo PROFIBUS-DP, baseado no padrão elétrico da época RS 485.Atualmente, este protocolo foi aberto para empresas que aderiram ao grupo de usuáriosPTO, e que utilizam PROFIBUS como padrão.

Para automação predial, gerou-se um fieldbus chamado LonWorks, que adotou oprotocolo LonTalk. Esta linha de produtos foi conduzida pela Echelon que então criou umgrupo de apoio para este fieldbus com outras empresas. Uma de suas particularidades é acomunicação pela fiação elétrica predial. Um sensor ou atuador, conectado ao circuitoelétrico, pode ser lido ou comandado (respectivamente) por qualquer outro ponto da

instalação predial. Para que isto seja possível, é instalado um dispositivo no QDL doscircuitos, “curto-circuitando” as fases e seus circuitos para uma freqüência usada para acomunicação(obviamente diferente de 60 Hz), permitindo que um comando e/ou umaleitura de dados possa ser feito à distância.

Para automação automobilística, e logo depois adaptada para outros usos, apareceuo protocolo CAN – Controller Area Network que implementou uma interessantíssimatécnica de controle de acesso ao meio, evitando a colisão, usual nas redes Ethernet. Noentanto, esta especificação não foi completa permitindo que grupos diferentesespecificassem as partes faltantes de forma incompatível. Deste modo, outros grupos comprotocolos incompatíveis foram criados com base no CAN: DeviceNet (da Allen Bradley),SDS (da Honeywell), CANOpen (do grupo de usuários do CAN, i.e., CiA-CAN inAutomation), etc.

Para automação de máquinas ou pequenos sistemas, e com pequenas distâncias,criou-se o protocolo ASI – Actuator Sensor Interface, que transmite palavras de 4 bits decada dispositivo por vez. Geralmente é usado para comunicação entre dispositivosdiscretos. Muito embora tenha também (porém poucos) produtos voltados para dispositivosanalógicos. Além disto, seu desempenho não é muito bom para os dispositivos analógicos,pois tem que enviar o código digital representativo da grandeza analógica partido empacotes, normalmente 2 bits de cada vez, usando os outros dois para a numeração dopacote. Assim são necessárias várias varreduras para que a grandeza seja totalmentetransmitida.

Especificamente para a área de manufatura, apareceu um outro protocolo utilizandouma topologia em anel chamado InterBus-S, tanto para dispositivos discretos como paraanalógicos. Este protocolo utiliza uma topologia em anel dividida nos chamadosbarramentos locais e remotos.

Na França normalizou-se o FIP como norma francesa. Mas, logo após, em umacordo com o IEC, o FIP foi modificado para WorldFIP recebendo as devidasmodificações para ser compatível com a proposta internacional do IEC.

Na Dinamarca, surgiu o P-Net, um fieldbus com uma velocidade de comunicaçãoreconhecidamente ineficiente, com um protocolo baseado num token modificado.

Uma arquitetura mais evoluída para a norma internacionalCom a evolução da arquitetura de controle distribuído e divulgação de suas

vantagens, os comitês envolvidos com a norma internacional incluíram na especificação darede, funções de controle e de gerenciamento distribuído. Deste modo, o programa decontrole pode ser dividido para ser executado em dispositivos diferentes, aumentando aconfiabilidade do sistema e a velocidade do que em um único equipamento como numPLC, por exemplo. Isto pode significar que não será necessário um equipamento decontrole como um PLC no futuro (Figura 5).

No entanto, para que estas partes do programa pudessem ser entendidas pordiferentes dispositivos de diferentes fabricantes, e também, redundantes em diferentes

dispositivos (para maior confiabilidade que os usuais PLCs e controladores centralizadoresdo programa de controle), foi necessário também uma padronização das mesmas. Estapadronização está continuamente sendo expandida, mas tem como base, blocos funcionaispadronizados anteriormente para as conhecidas arquiteturas de SDCDs (Figura 6).

Deste modo, o verdadeiro fieldbus não é mais somente uma rede, mas um sistemade controle em tempo real que utiliza uma rede, geralmente implementada numa topologiaem barramento, e que distribui o controle.

Porém, este fieldbus ainda está engatinhando no mercado. Como citadoanteriormente, os primeiros passos para se chegar a ele, só tinham produzido placas quesubstituíam as conhecidas placas de I/O para PLC por uma placa que era capaz deinterfacear com o PLC e o barramento do fieldbus. Neste caso, já se aproveitava acapacidade de economia de cabos, mas não a capacidade de se distribuir o controle. Então,como esta capacidade de distribuir o controle precisou ser padronizada, o IEC o estápadronizando sob o código IEC 61804.

Embora a normalização conforme a IEC 61804 esteja bem evoluída para blocosfuncionais usados no controle de processos, outros conjuntos de blocos funcionais estão porvir. Porém, alguns dispositivos no mercado já usufruem das especificações dos primeirosblocos funcionais.

Dispositivo A Dispositivo C Dispositivo DDispositivo B

Aplicação 3

Aplicação 1

Processo Controlado

FB4

FB1 FB2

FB3 FB5 FB6

Aplicação 2

FB7

Figura 6 - Blocos Funcionais distribuídos em diferentes dispositivos do fieldbus

Um importante detalhe, que muitas vezes passa despercebido pelos usuários emuitas vezes pelos fabricantes, é que a especificação do IEC 61158 foi concebida desde oinício para prover um único fieldbus a ser aplicado em qualquer área.

Deste modo, é a única solução capaz de, distribuindo o controle (especificação que afaz muito superior às outras propostas existentes até o momento), atender o desejo dosusuários, possibilitando um único tipo de rede não proprietária para diferentes aplicações.

E além do mais, ainda pode ser usado aonde existam variáveis analógicas e/oudiscretas, e em aplicações simples como uma rede on/off (de alarme de presença, porexemplo) ou bem mais complexa.

Deste modo, este é o único fieldbus que realmente pode ser aplicado em qualquerárea, sem ter seu desempenho comprometido pelo seu protocolo.

Atualmente, a Fieldbus Foundation, união de vários fabricantes da área de controlede processos, implementa os dispositivos e desenvolve softwares para a normainternacional.

Porém, as empresas que haviam bancado o desenvolvimento de outros fieldbusestentaram normalizar os seus fieldbuses para que pudessem sobreviver após a completanormalização internacional. Nesta corrida, como não foram bem sucedidos no IEC, que jápropunha algo tecnicamente mais evoluído, alguns deles conseguiram um acordo, mal vistopelos usuários atentos, que junta numa mesma norma européia EN 50170, diferentes eincompatíveis fieldbuses: WorldFIP, PROFIBUS-DP, P-Net.

No entanto, atualmente com a esperada finalização da normalização internacionaldo IEC, os fabricantes do WorldFIP anunciam a esperada aderência à norma IEC 61158.Assim, a França está sendo o primeiro país que já tinha sua própria norma nacional para ofieldbus, a abandoná-la e a assumir a defesa da norma internacional.

Este é o caminho que nós, usuários bem informados sobre a tecnologia atualmentedisponível, gostaríamos que fosse seguido por aqueles que ainda estão pensando emdefender seus investimentos do passado, abusando da desinformação dos usuários, emprejuízo da comunidade de automação.

O processo de elaboração de uma norma internacional do IECO processo de normalização do IEC é demorado e depende da aprovação dos

documentos propostos discutidos em várias etapas.Existem dois tipos de países membros no IEC que participam, mais ou menos, da

elaboração de uma norma internacional: “P” (participantes) e “O” (observadores).Os membros participantes possuem comitês que estudam e elaboram os documentos

para votação internacional. Os observadores, geralmente sem pessoal especializado noassunto, apenas observam e aceitam as decisões dos países participantes.

O Brasil reúne-se no COBEI/ABNT no Comitê para o Fieldbus, um dia por mês,aonde estuda, discute e envia sugestões, desde o início da discussão sobre o assunto.Portanto, atua ativamente neste processo.

O processo de aprovação pode ser expresso pelo fluxograma visto na Figura 7.Algumas siglas constantes na Figura 7, são explicadas a seguir.Um New Work Item Proposal (NP) é uma proposta feita por um membro “P”

submetida à votação dos demais membros “P” do Technical Committee ou Sub-Committee(TC/SC). A aprovação é por maioria simples.

Após a aprovação do New Work Item, é criado um Working Group formado pormembros “P” para discussão do assunto, preparando um documento chamado de WorkingDraft (WD) que será votado futuramente.

Após a aprovação do WD, O TC ou SC prepara um Committee Draft(CD) paraanálise e elaboração de comentários pelos membros “P” e “O”.

Após a recepção dos comentários e a compilação destes, é preparado um documentochamado de Committee Draft for Vote(CDV), para ser submetido à votação pelos membros“P”. O CDV é aprovado se 2/3 dos votos dos membros “P” forem favoráveis.

Após a compilação dos votos e sugestões aprovadas pelo TC, o Central Officeprepara o (FDIS) Final Draft International Standard, para uma última votação (numintervalo de 2 meses), que só deverá ser aprovado se obtiver 2/3 dos votos dos membrosfavoráveis.

Estágio da norma internacional IEC 61158Cada estágio do processo de normalização foi lenta e custosa. Principalmente nos

estágios finais, pois alguns poucos países colocaram-se contrários à proposta internacional.Esta posição foi adotada desde o momento em que os comitês nacionais de diversos países ,após anos de estudo, constataram que os protocolos adotados por estes poucos países nãoatendiam a todos os requisitos necessários para um eficiente controle de processos emanufatura. Portanto, os comitês optaram por uma especificação mais completa, tornando-aincompatível com cada um de seus produtos já existentes. Tinha sido uma opção drástica,mas inevitável em prol da eficiência da automação. Porém, a partir deste estágio, estespaíses demonstraram interesse em prorrogar esta aprovação.

Em fins de outubro do ano passado, a norma IEC 61158 já tinha alcançado o estágiode FDIS, e dependia apenas da última aprovação para se tornar IS, marcada para 31 deoutubro.

Deste modo, a comunidade envolvida com a proposta, estava confiante em suaaprovação final. Pois neste estágio, toda a discussão técnica de uma norma está discutida,aprovada e se destina apenas à aprovação da editoração dos documentos. Não cabia maisnenhuma argumentação técnica, a não ser que a documentação apresentada para votaçãofosse diferente daquelas aprovadas anteriormente.

Infelizmente, para surpresa dos comitês, alguns comitês que nunca tinham votadoantes ou se abstiveram em outras etapas, votaram contra, ultrapassando 1/3 (de todos osmembros “P” e “O”) dos votos negativos permitidos .

O mais incrível ainda, que obrigados pelas regras do IEC, justificaram seus votoscom a mesma argumentação sem fundamentação técnica dada pelos outros. Isto veio areforçar a idéia de que não tendo conhecimento para argumentar consistentemente,buscaram copiar as justificativas dadas por outros comitês que participaram do processodesde o princípio. Estes, por interesses assumidos como em defesa dos seus clientes “que jácompraram nossos equipamentos que não são compatíveis com a norma, e se sentirãoprejudicados...”, buscaram qualquer argumento para justificar seus votos contrários.

Como estas justificativas preocuparam o IEC, o Central Office em Genebrainterferiu e pediu aos demais países que as analisassem. Recentemente eles as analisaram eem sua maioria as considerou inconsistentes. Assim, espera-se que o Central Office do IEC,anule os votos contrários a norma e ela finalmente venha a se tornar IS-InternationalStandard.

Deste modo, o número de mais de 200 plantas já instaladas só no Brasil deverácrescer muito mais do que vem crescendo até o momento.

NP

Vot

WD

Vot

CD

CDV

Vot

Vot

IS

FDIS

Voltap/ o TC

rejeitadoN

N

N

S

S

S

N

S

NP - New Work Item ProposalWD - Working DraftCD - Committee DraftCDV - Committee Draft for VoteFDIS - Final Draft international StandardIS - International Standard

3 meses

0

6 meses

24 meses

36 meses

0

Figura 7 – Fluxograma dos estágios para aprovação de uma normainternacional

ConclusãoO Grupo de Automação e Informática Industrial da EFEI tem acompanhado esta

evolução, e através do Laboratório de Fieldbus vem divulgando esta tecnologia, nacional einternacionalmente.