Redes Industriais

Introdução

A necessidade de automação na indústria e nos mais diversos segmentos está associada, entre diversos aspectos, às possibilidades de aumentar a velocidade de processamento das informações, uma vez que as operações estão cada vez mais complexas e variáveis, necessitando de um grande número de controles e mecanismos de regulação para permitir decisões mais ágeis e, portanto, aumentar os níveis de produtividade e eficiência do processo produtivo dentro das premissas da excelência operacional.

A automação permite economias de energia, força de trabalho e matérias-primas, um melhor controle de qualidade do produto, maior utilização da planta, aumenta a produtividade e a segurança operacional. Em essência, a automação nas indústrias permite elevar os níveis de continuidade e de controle global do processo com maior eficiência, aproximar ao máximo a produção real à capacidade nominal da planta, ao reduzir ao mínimo possível as horas paradas, de manutenção corretiva e a falta de matéria-prima.

Além disso, com o advento dos sistemas de automação baseado em redes de campo e tecnologia digital, pode-se ter vários benefícios em termos de manutenção e aumentar a disponibilidade e segurança operacional. E ainda, a  automação extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado,  atingindo fronteiras mais abrangentes; a  automação do negócio.

Figura 1 -  A automação extrapola os limites de chão de fábrica, ela continua após o produto acabado,  atingindo fronteiras mais abrangentes; a  automação do negócio.

 

A solução completa deve prover uma metodologia de gestão da indústria de forma transparente e garantir que todos os esforços sejam direcionados para se atingir a meta estabelecida, facilitando a tomada de decisão quando há mudanças relevantes ao desempenho dos indicadores ou um desvio em relação ao planejado.

Usuários e clientes então devem estar atentos na escolha e definição de um sistema de automação e controle, onde esta definição deve levar em conta vários critérios e que possa estar em sincronismo com o avanço tecnológico.

Quanto mais informação, melhor uma planta pode ser operada e sendo assim, mais produtos pode gerar e mais lucrativa pode ser. A informação digital e os sistemas verdadeiramente abertos permitem que se colete informações dos mais diversos tipos e finalidades de uma planta, de uma forma interoperável e como ninguém jamais imaginou e neste sentido, com a tecnologia Fieldbus (Foundation fieldbus, Profibus, HART, DeviceNet, Asi, etc.) pode-se transformar preciosos bits e bytes em um relacionamento lucrativo e obter também um ganho qualitativo do sistema como um todo. Não basta apenas pensar em barramento de campo, deve-se estar atento aos benefícios gerais que um sistema de automação e controle possa proporcionar.

A revolução da comunicação industrial na tecnologia da automação está revelando um enorme potencial na otimização de sistemas de processo e tem feito uma importante contribuição na direção da melhoria no uso de recursos. Veremos a seguir alguns detalhes e redes industriais que fornecerão uma explicação detalhada de como estas redes agem como o elo de ligação central no fluxo de informações na automação.

A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação alterando hierarquias e estruturas nos mais diversos ambientes industriais assim como setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

 

Figura 2 – Níveis da pirâmide de automação

Analisando a figura 2, vemos que no nível de atuadores/sensores existem algumas redes industriais, onde podemos citar a AS-Interface (AS-i) onde os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a alimentação (24 Vdc) necessária para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida. Veremos mais detalhes posteriormente.

No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de Entrada/Saída (E/S), transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real (PROFIBUS-DP ou PA, Foundation Fieldbus, HART, etc.). A transmissão de dados do processo e diagnósticos é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e também diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário.

No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que várias redes podem suprir. A rede PROFInet, HSE (High Speed Ethernet), Ethernet IP, suportam dispositivos de campo simples e aplicações de tempo crítico, bem como a integração de sistemas de automação distribuídos baseados em componentes.

Tabela 1.1 – Requisitos de comunicação de sistemas de automação industrial

 

Nos últimos anos temos acompanhado que os mercados de instrumentação e automação vêm demandando equipamentos de campo (transmissores de pressão e temperatura, conversores, posicionador, atuadores, controladores, etc.) com alta performance, confiabilidade, disponibilidade, recursividade, etc., com a intenção de minimizar consumos, reduzir a variabilidade dos processos, proporcionar a redução de custos operacionais e de manutenção, assim como garantir a otimização e melhoria continua dos processos.

Por outro lado, os microprocessadores/microcontroladores estão se tornando mais poderosos e mais baratos e, os fornecedores na instrumentação vêm respondendo às demandas dos usuários por mais e melhores informações em seus processos.

A tecnologia digital é rica no fornecimento de informação, não somente pertinente ao processo, mas em especial dos equipamentos de campo. Desta forma, condições de auto-diagnoses podem poupar custos operacionais e de manutenção, principalmente em áreas classificadas (perigosas) ou mesmo em áreas de difícil acesso. Da própria sala de controle pode-se ter uma visão geral do sistema e ainda com ferramentas baseadas em Internet, a qualquer hora e de qualquer lugar. Através de um gerenciamento destas informações vindas do campo, pode-se selecionar convenientemente os dados para se atingir os objetivos de produção, direcionando as informações às pessoas e/ou departamentos corretos e agindo de maneira a melhorar os processos.

Percebe-se aqui que todas estas evoluções tecnológicas e a consolidação das redes industriais fazem com que os sistemas de automação e controle, equipamentos de campo, controladores, etc., possam assumir funções antes inimagináveis, como o controle de contínuo e discreto, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundantes, gerenciamento e tráfego de informação, disponibilidade de informações para IHMs, Internet, geração de relatórios, gerenciamento de ativos, altos níveis de segurança, etc. Tudo isso, aliado à confiabilidade industrial tanto de hardware quanto de software.

Um pouco de história

Os primeiros sistemas de automação foram desenvolvidos no final do século XIX durante a revolução industrial.

 O trabalho que era manual passou a ser realizado por máquinas dedicadas e customizadas a uma determinada tarefa visando cada vez mais o aumento da produtividade e eficiência. As funções de controle eram implementadas através de dispositivos mecânicos que automatizavam algumas tarefas críticas e repetitivas.  Estes dispositivos eram desenvolvidos para cada tarefa e devido à natureza mecânica dos mesmos, tinham vida útil reduzida e alta manutenção.

Posteriormente, com o advento dos relés e contatores, estes dispositivos foram substituídos e apareceram dispositivos automáticos em linhas de montagens, dando um grande passo na época. A lógica a relés viabilizou o desenvolvimento de funções de controle mais complexas e sofisticadas.

Após a segunda guerra mundial, houve um avanço tecnológico e apareceram as máquinas por comando numérico e os sistemas de controle na indústria de processo, assim como o conceito de referência de tensão para instrumentação analógica. Aparecem os primeiros circuitos integrados, os CIs, que proporcionaram o desenvolvimento de uma nova geração de sistemas de automação. Vale lembrar que em 1947, Willian Shockley, John Barden e Walter Brattain descobriram o transistor, que é um componente eletrônico amplamente utilizado nos processadores modernos, de forma integrada.

No início dos anos 70, os primeiros computadores comerciais começaram a ser utilizados como controladores em sistemas de automação de grande porte, porém estes computadores eram grandes, ocupando muito espaço, de alto custo, difíceis de programar e muito sensíveis ao ambiente industrial. Mas tinham a vantagem de manipular a aquisição e controle de várias variáveis.

Ainda na década de 70 tivemos um grande avanço em termos de automação.

A partir de uma demanda existente na indústria automobilística norte-americana, foi desenvolvido o Programmable Logic Controller (PLC), ou Controlador Lógico Programável (CLP). O CLP é um computador dedicado e projetado para trabalhar no ambiente industrial, onde sensores e atuadores são conectados a cartões de entradas e saídas. Os primeiros CLPs tinham um conjunto de instruções reduzido; normalmente somente condições lógicas e não possuíam entradas analógicas, podendo manipular apenas aplicações de controle discreto. Os CLPs substituíram os painéis de controle com relés, diminuindo assim, o alto consumo de energia, a difícil manutenção e modificação de comandos e também as onerosas alterações de fiação.

Atualmente, devido à demanda das plantas industriais, os CLPs manipulam tanto controle discreto quanto malhas analógicas. Estes sistemas são usualmente chamados de Controladores Programáveis, por não serem limitados a operações com condições lógicas. As atuais funções de controle existentes em uma planta industrial são em geral distribuídas entre um número de controladores programáveis, os quais são montados próximos aos equipamentos a serem controlados. Os diferentes controladores são usualmente conectados via rede local a um computador supervisório central, o qual gerencia os alarmes, receitas e relatórios.

Entramos em uma fase onde a tecnologia e conectividade industrial eram proprietárias e um “casamento” entre cliente e fornecedor acontecia. No mercado apareceram os SDCSs (Sistemas Digitais de Controle Distribuídos).

Na década de 90, o mundo começou a presenciar enormes avanços na área tecnológica, em que os circuitos eletrônicos passaram a proporcionar maior eficiência, maiores velocidades, mais funcionalidades, maiores MTBFs (Mean Time Between Failures, maior confiabilidade), consumos menores, espaços físicos menores e ainda, com reduções de custos. Ao mesmo tempo em que impulsionou o desenvolvimento de computadores, interfaces e periféricos mais poderosos, com alta capacidade de processamento e memória e o mais interessante, dando vazão a alta escala de produção com custos reduzidos e o que foi uma vantagem de forma geral, pois aumentou a oferta de microcontroladores, Cis e ASCIs para toda a indústria.

E se não bastasse esta revolução eletrônica, os sistemas mecânicos também passaram e vêm passando por inovações e modificações conceituais com a incorporação da capacidade de processamento, tornando-os mais rápidos, eficientes e confiáveis, com custos de implementação cada vez menores. Ao longo dos últimos anos é cada vez mais freqüente a utilização de componentes eletrônicos para acionamento e controle de sistemas mecânicos.

Não resta dúvida que hoje não é somente a condição de controle que importa. A gestão da informação, a inteligência da instrumentação, a tecnologia verdadeiramente aberta e não proprietária, os benefícios da tecnologia digital são o que agregam valores ao usuário.

Que atualização um sistema convencional pode ter nos próximos anos? Que capacidade de expansão vai permitir? O portfólio de aplicações oferecidas pelos fornecedores com um sistema digital aberto aumentou bastante nos últimos anos, incluindo redes digitais abertas, áreas como gerenciamento de ativos, controle baseado em blocos funcionais, otimização em tempo real, MÊS (gestão de negócios), ferramentas de gerenciamento de performance em tempo real, gerenciamento de alarme, e muitas outras.

Hoje o usuário deve estar atento e especificar sempre um sistema de automação aberto com possibilidade de diagnósticos, maior tolerância a falhas, blocos de funções, FFBs (Blocos Flexíveis), conectividade OPC e com diversos protocolos, e uma série de outras características que o torna um sistema de controle completo e não um simples barramento de comunicação com integrações proprietárias. A escolha nas principais plantas industriais deve-se às funções de controle de processo que permitem agregar informações que possam trazer benefícios nas tomadas de decisões, garantindo a excelência operacional.

Os Sistemas Verdadeiramente Abertos utilizam tecnologias abertas que se integram perfeitamente ao hardware, ao mesmo tempo em que dá liberdade para conectar-se com software e hardware de outros fabricantes. Os usuários têm a liberdade para escolher os componentes e até mesmo construir o seu próprio sistema.

A flexibilidade e a capacidade de expansão da arquitetura de um sistema aberto e digital possibilitam reconfigurações e expansões para atender as novas condições de processo sem grandes reinvestimentos. Tecnologias modernas possibilitam respostas rápidas às mudanças nas condições de mercado.

Vale lembrar que em termos de excelência operacional qualquer segmento industrial vem sofrendo constantes pressões para alcançar a excelência operacional, objetivando garantir sua competitividade. Excelência operacional significa otimizar e dinamizar os processos através da análise de dados em tempo real facilitando a tomada de decisão, de forma inteligente, estratégica e em todos os níveis da organização. Ao usar a tecnologia digital pode-se ter os processos aprimorados, pode-se gerenciar de maneira mais eficiente as operações da planta.

Como um exemplo de Sistema Verdadeiramente Aberto, temos o System302 da SMAR: https://www.smar.com.br/pt/system302. O System302 é um sistema baseado em tecnologias estado da arte, totalmente escalável e integrado fornecendo uma plataforma única de controle e supervisão de processos. Com o System302, pode-se ter toda uma infraestrutura de hardware e software necessários para um controle otimizado do processo, seja ele contínuo ou batelada. Através de uma tecnologia que combina o melhor do mundo do SDCDs e dos PLCs/SCADA, o System302 é a solução completa em sistema de automação e controle, onde possui o diferencial de utilizar tecnologias já consagradas em sua arquitetura e sem a necessidade de uso de um sistema totalmente proprietário, provendo a abertura e flexibilidade que as aplicações necessitam. Seguramente devido a várias vantagens da tecnologia digital e de redes abertas, o SDCD tradicional não é mais recomendado em novos projetos ou mesmo em expansões, pois os altos custos de substituição dos instrumentos e a obsolência do sistema de controle podem abreviar a vida útil. Nestes casos o sistema de automação tem que ser moderno e verdadeiramente aberto, deixando o usuário confortável nos próximos 15 a 20 anos.

No mercado atual globalizado, a busca de uma vantagem tecnológica que permita ao seu usuário competir de uma maneira eficaz, manter-se de uma maneira sustentável, obtendo lucro e reinvestir no seu negócio, a automação industrial passou a ser item básico desse processo. No ramo da indústria, a otimização de recursos faz-se imprescindível. As inovações na área de processo em si são poucas, ficando para as áreas de controle de processo a responsabilidade na redução de custos. O entendimento dos processos de inovação na automação com os sistemas digitais e de redes abertas podem ajudar a nos situarmos no contexto atual, identificando as inovações que podem agregar valor à cadeia produtiva. Notadamente nos últimos anos com o avanço na eletrônica digital passamos a ter novas ferramentas nas áreas de controle de processo e manutenção que associadas com sistemas de comunicação baseados em protocolos abertos de redes industriais.

A seguir veremos algumas redes industriais.

 

Classificação Geral das Redes Industriais

De acordo com a figura 3, podemos ter várias classificações das redes industriais.

Figura 3 – Classificação Geral de Redes Industriais

Um ponto importante é diferenciar entre a rede de informação, a rede de controle e rede de campo.

A rede de informação representa o nível mais elevado dentro de uma arquitetura. Em grandes corporações é natural a escolha de um backbone de grande capacidade para interligação dos sistemas ERP (Enterprise Resource Planning), Supply Chain (gerenciamento da cadeia de suprimentos) e EPS (Enterprise Production Systems).

A função da rede de controle é interligar os sistemas industriais de nível 2 ou sistemas SCADA aos sistemas de nível 1, representados por CLPs e remotas de aquisição de dados. É possível também que equipamentos de nível 3, tais como, sistemas PIMS e MES estejam ligados a este barramento. Atualmente o padrão mais recomendado é o Ethernet 100 Base-T.
A função da rede de campo é garantir a conectividade entre os diversos dispositivos atuantes diretamente no “chão de fábrica”, isto é o nível 1, sejam eles dispositivos de aquisição de dados, atuadores ou CLPs.

As redes de campo são sistemas de comunicação industrial que usam uma ampla variedade de meios físicos, como cabos de cobre, fibras ópticas ou sem fio, para acoplar os dispositivos de campo a um sistema  de controle ou um sistema de gerenciamento.

Figura 4 – Cenário das redes industriais

Visando a minimização de custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede industrial para interligar os vários equipamentos de uma aplicação. A utilização de redes e protocolos digitais prevê um significativo avanço nas seguintes áreas:

• Custos de instalação, operação e manutenção
• Procedimentos de manutenção com gerenciamento de ativos
• Fácil expansão e upgrades
• Informação de controle e qualidade
• Determinismo (Permite determinar com precisão o tempo necessário para a transferência de informações entre os integrantes da rede)
• Baixos tempos de ciclos
• Várias topologias
• Padrões abertos
• Redundância em diversos níveis
• Menor variabilidade nas medições com a melhoria das exatidões
• Medições multivariáveis
• Etc.

A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis.

 

PROFIBUS

A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo bitserial, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os membros relevantes das companhias do ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica) concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de processos.

Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicações complexas PROFIBUS FMS (Especificação de Mensagens Fieldbus), que foi preparado para exigência de tarefas de comunicação.

Um passo mais adiante em 1993 foi a conclusão da especificação para uma variante mais simples e com comunicação mais rápida, o PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em três versões funcionais, o DP-V0, DP-V1 e DP-V2.

Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o desenvolvimento de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de dispositivos de crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na automação manufatura e desde 1995 na automação de processos com a introdução do PROFIBUS-PA. Hoje, o PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado mundial.

O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN 50170 e EN 50254. Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC 61158 está dividida em sete partes, nomeadas 61158-1 a 61158-6, nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo aberto, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores.

Hoje, estima-se próximo de 30 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS-PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 35 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, em parceria com a FIPAI na Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina.

No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs, comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados sejam transferidos em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet são requisitos absolutamente obrigatórios. Essa necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet.

Figura 5 – Exemplo de uma rede Profibus com as variantes Profibus-DP e Profibus-PA

 

O PROFIBUS, em sua arquitetura, está dividido em três variantes principais:

 

PROFIBUS DP

O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 mA, HART ou em transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com tempo crítico.

Atualmente, 90% das aplicações envolvendo escravos Profibus utilizam-se do PROFIBUS DP. Essa variante está disponível em três versões: DP-V0, DP-V1 e DP-V2. A origem de cada versão aconteceu de acordo com o avanço tecnológico e a demanda das aplicações exigidas ao longo do tempo.

Figura 6 – Versões do Profibus

 

PROFIBUS-PA

O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 mA.

Existem vantagens potenciais da utilização dessa tecnologia, onde resumidamente destacam-se as vantagens funcionais (transmissão de informações confiáveis, tratamento de status das variáveis, sistema de segurança em caso de falha, equipamentos com capacidades de autodiagnose, rangeabilidade dos equipamentos, alta resolução nas medições, integração com controle discreto em alta velocidade, aplicações em qualquer segmento, etc.). Além dos benefícios econômicos pertinentes às instalações (redução de até 40% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), custos de manutenção (redução de até 25% em alguns casos em relação aos sistemas convencionais), menor tempo de startup, oferecem um aumento significativo em funcionalidade e segurança.

O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. O PROFIBUS PA foi desenvolvido em cooperação com os usuários da Indústria de Controle e Processo (NAMUR), satisfazendo as exigências especiais dessa área de aplicação:

• O perfil original da aplicação para a automação do processo e interoperabilidade dos equipamentos de campo dos diferentes fabricantes.
• Adição e remoção de estações de barramentos mesmo em áreas intrinsecamente seguras sem influência para outras estações.
• Uma comunicação transparente através dos acopladores do segmento entre o barramento de automação do processo PROFIBUS PA e do barramento de automação industrial PROFIBUS-DP.
• Alimentação e transmissão de dados sobre o mesmo par de fios baseado na tecnologia IEC 61158-2.
• Uso em áreas potencialmente explosivas com blindagem explosiva tipo “intrinsecamente segura” ou “sem segurança intrínseca”.

As conexões dos transmissores, conversores e posicionadores em uma rede PROFIBUS DP são feitas por um coupler DP/PA. O par trançado a dois fios é utilizado na alimentação e na comunicação de dados para cada equipamento, facilitando a instalação e resultando em baixo custo de hardware, menor tempo para iniciação, manutenção livre de problemas, baixo custo do software de engenharia e alta confiança na operação.

A arquitetura e a filosofia do protocolo PROFIBUS asseguram a cada estação envolvida nas trocas de dados cíclicos um tempo suficiente para a execução de sua tarefa de comunicação dentro de um intervalo de tempo definido. Para isso, utiliza-se do procedimento de passagem de “token”, usado por estações mestres do barramento ao comunicar-se entre si, e o procedimento mestre-escravo para a comunicação com as estações escravas. A mensagem de “token” (um frame especial para a passagem de direito de acesso de um mestre para outro) deve circular, sendo uma vez para cada mestre dentro de um tempo máximo de rotação definido (que é configurável). No PROFIBUS o procedimento de passagem do “token” é usado somente para comunicações entre os mestres.
 

Figura 7 – Comunicação Multi-Mestre.

 

Figura 8 – Comunicação Mestre- Escravo.

O procedimento mestre-escravo possibilita ao mestre que esteja ativo (o que possui o “token”) acessar os seus escravos (através dos serviços de leitura e escrita).

PROFINET

O PROFInet é uma rede padronizada pelo PROFIBUS International de acordo com a IEC 61158-5 e a IEC 61158-6. É uma das quatorze redes de Ethernet industrial. Basicamente, há dois tipos de redes PROFInet: PROFInet IO e PROFInet CBA. O PROFInet IO é utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e o PROFInet CBA é utilizado em aplicações onde o tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede PROFIBUS-DP.

O PROFInet é um conceito de automação compreensível que emergiu como resultado da tendência na tecnologia de automação para máquinas reusáveis e modulares em plantas com inteligência distribuída. Suas particularidades atendem pontos-chaves das demandas da tecnologia de automação:

• comunicação consistente entre os diversos níveis de gerenciamento desde o campo até os níveis corporativos usando Ethernet.
• uma grande quantidade de fabricantes em um protocolo e sistema aberto;
• utiliza padrões IT;
• integração em sistemas PROFIBUS sem mudanças dos mesmos.

 O PROFInet foi definido de acordo com o Physical Layer ISO/IEC8802-3 e seu DataLink Layer de acordo com TCP/UDP/IP/Ethernet da ISO/IEC8802-3. Seu principal enfoque, e aí se deixa claro as diferenças ente o mercado comum de redes Ethernet, é a aplicação do conceito de objetos já em usos e testados em softwares de tecnologias de automação. Seguindo esta idéia, máquinas e plantas podem ser divididas em módulos tecnológicos, cada um deles com suas características e compromissos mecânicos, elétricos/eletrônicos e softwares de aplicação.Cada módulo é então encapsulado de acordo com componentes PROFInet e podem ser acessados via interfaces universais, e ainda podem ser interconectados em várias aplicações.Entenda o conceito de componentes como a idéia de reutilização de unidades de software.Neste sentido o PROFInet utiliza-se de componentes COM (Component Object Model) e sua expansão o DCOM (Distributed Component Object Model) para sistemas distribuídos. Sendo assim, todos os objetos são idênticos e possuem as mesmas aparências. Este tipo de sistema de automação distribuído habilita projetos modulares de máquinas e plantas com suporte a reutilização de partes de máquinas e plantas. Isto garante a interoperabilidade e a redução de problemas. A integração de segmentos PROFIBUS em PROFInet é feita utilizando implementações proxies o que garante que o espectro todo de produtos PROFIBUS podem ser implementados sem mudanças, garantindo ao usuário a proteção máxima aos seus investimentos.Além disso a tecnologia Proxy permite a integração com outros fieldbuses.

 

 

 

 

Figura 10 - Estrutura de dispositivo PROFInet

 

Figura 11 - Modelo de migração PROFInet

 

O PROFInet tem três modelos distintos de operação, sendo dois deles para tempo real. Veja figura 12.

O primeiro modelo é baseado na arquitetura TCP/IP pura, utilizando Ethernet na camada 1 e 2, o IP na camada 3 e o TCP ou UDP na camada 4. Essa arquitetura é chamada de Non-real time (Non-RT), pois seu tempo de processamento se aproxima dos 100 ms. A grande aplicação nesse tipo de comunicação é de configuração da rede ou na comunicação com os Proxis, utilizando o PROFInet CBA. Os Proxis são conversores de protocolos (por exemplo, de PROFInet para PROFIBUS-DP ou de PROFInet para HART, FF, etc), conforme mostrado na figura 13.

Figura 12 –PROFInet tem três modelos distintos de operação

 

Figura 13 – Proxy PROFInet/PROFIBUS-DP e PROFInet/HART, PROFInet/FF

O segundo modelo baseia-se no chamado Soft Real Time (SRT) e caracteriza-se por ser um canal direto entre a camada da Ethernet e a aplicação. Com a eliminação de vários níveis de protocolo, há uma redução no comprimento dos telegramas transmitidos, requerendo menos tempo de transmissão de dados na rede. Neste caso, pode-se utilizar os dois tipos de PROFInet IO e CBA.

O terceiro modelo baseia-se no conceito de Isochronous Real Time (IRT), para aplicações em que o tempo de resposta é crítico e deve ser menor do que 1ms. Um exemplo típico de aplicação neste caso é o controle de movimento de robôs, onde o tempo de atualização de dados deve ser curto. Utiliza-se apenas o PROFInet IO para esse caso.

 

Figura 14 - PROFInet CBA e IO provendo máxima flexibilidade às aplicações

 

O PROFInet foi desenvolvido em seu modelamento de forma a proporcionar o acesso às informações de dados via serviços padrões de WEB.

 

Figura 15 - O acesso às informações de dados do PROFInet é possível via serviços padrões de WEB.

 

Além disso, a tecnologia do PROFInet permite fácil integração com sistema MES (Manufacturing Execution Systems).

 

Figura 16 - PROFInet e o MES

 

Foundation Fieldbus

Este é um protocolo de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede de vários equipamentos diretamente no campo, realizando funções de controle e monitoração de processos e estações (IHMs) através de softwares supervisórios. Está baseado no padrão ISO/OSI, onde se tem as seguintes camadas: Physical Layer, Communication Stack e User Application, onde podemos citar o gerenciamento de forma abrangente com a aplicação envolvendo o Fieldbus Access Sublayer(FAS), o Fieldbus Message Specification(FMS) e o modelo de Function Blocks mais Device Descriptions.

 

Figura 17 – Estrutura de camadas do Foundation Fieldbus

 

O Physical layer (Meio Físico) é definido segundo padrões internacionais (IEC, ISA). Ele recebe mensagens da camada de comunicação (Communication Stack) e as converte em sinais físicos no meio de transmissão fieldbus e vice-versa, incluindo e removendo preâmbulos, delimitadores de começo e fim de mensagens.

 

Figura 18 – Exemplo de sinal Fieldbus em modo tensão

 

O meio físico é baseado na IEC61158-2, onde podemos citar as seguintes características:

• Transferência de dados usando codificação Manchester, com taxa de 31.25kbit/s
• Para um sinal de comunicação integro cada equipamento deve ser alimentado com no mínimo 9 volts. O meio físico H1 permite que se alimente os equipamentos via barramento. O mesmo par de fios que alimenta o equipamento também fornece o sinal de comunicação.
• Comprimento máximo de 1900 m sem repetidores.
• Usando-se até 4 repetidores, o comprimento máximo pode chegar a 10 Km.
• Um equipamento Fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 2 até 32 equipamentos em aplicação sem segurança intrínseca  e alimentação  externa à fiação de comunicação.
• Um equipamento Fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 2 até 4 equipamentos em aplicação com segurança intrínseca  e sem alimentação  externa.
• Um equipamento Fieldbus deve ser capaz de se comunicar com 1 até 16 equipamentos em aplicação sem segurança intrínseca  e sem alimentação  externa.

Obs: Pode-se ligar mais equipamentos do que foi especificado, dependendo do consumo dos equipamentos, fonte de alimentação e características das barreiras de segurança intrínseca.

• Não interrupção do barramento com a conexão e desconexão de equipamentos enquanto estiver em operação.
• Topologia em barramento, árvore ou estrela ou mista.

A transmissão de um equipamento tipicamente fornece 10 mA a 31.25 kbits/s em uma carga equivalente de 50 Ohms criando um sinal de tensão modulado em 1.0 Volt pico a pico. A fonte de alimentação pode fornecer de 9 a 32 VDC, porém em aplicações seguras (IS) deve atender os requisitos das barreiras de segurança intrínseca.

 

Figura 19 – Modo Tensão 31.25 kbit/s

O comprimento total do cabeamento é a somatória do tamanho do trunk e todos os spurs e que com cabo do tipo A, é de no máximo 1900m em áreas não seguras. Em áreas seguras, é de no máximo 1000 m, com cabo tipo A e os spurs não podem exceder 30m.

Seguem algumas dicas de cablagem, blindagem e aterramento, já que em uma rede digital devemos estar sempre atentos com níveis de ruídos, capacitâncias e impedâncias indesejáveis e que podem contribuir para a degradação dos sinais.

O Data Link layer (Nível de Enlace) garante a integridade da mensagem e controla também o acesso ao meio de transmissão, determinando quem pode transmitir e quando se pode ter a transmissão. O nível de enlace garante que os dados cheguem ao equipamento correto.
Segundo o Data Link layer, dois tipos de equipamentos podem ser definidos:

• • • Link Master: tem a capacidade de se tornar LAS.
    • Basic Device: não tem a capacidade de se tornar LAS.

Existem três formas de acesso a rede:

• Passagem de Token (bastão): o token é o modo direto de iniciar uma transação no barramento. Ao terminar de enviar mensagens o equipamento retorna o token para o LAS(Link Active Scheduler) que transmitirá o mesmo para o equipamento que o requisitou, via pré-configuração ou via escalonamento.
• Resposta imediata: neste caso o mestre dará uma oportunidade para uma estação responder com uma mensagem.
• Requisição de Token: um equipamento requisita o token usando uma de suas mensagens com a codificação para esta requisição e o LAS ao recebê-la, envia o token a ele quando houver tempo disponível nas fases acíclicas do escalonamento.

O LAS é quem controla e planeja a comunicação no barramento. Ele controla as atividades no barramento usando diferentes comandos os quais em modo broadcast é passado a todos os equipamentos. Como sempre o LAS faz o polling por endereços de equipamentos sem tags na rede, é possível se conectar devices a qualquer instante durante a operação e estes serão integrados em operação “plug in play” automaticamente. Em sistemas redundantes, com a falha do LAS, o equipamento do tipo Link Master assume o papel de mestre backup durante a falha.

Podemos ainda comentar a respeito do modelo Publisher/Subscriber (produtor/consumidor), onde um equipamento pode produzir ou consumir variáveis que são transmitidas através da rede empregando o modelo de acesso de resposta imediata. Com uma única transação, o produtor pode enviar suas informações a todos os equipamentos da rede que as necessitem. Este se trata do modelo mais eficiente na troca de informações, já que existe a otimização total entre os participantes das transações.

Os serviços de comunicação utilizam transmissão de dados chamadas de programadas (scheduled) e não-programadas (unscheduled). Tarefas envolvendo tempos críticos, tais como o controle de variáveis de processo, são exclusivamente executadas pelos serviços programados enquanto que, parametrização e funções de diagnose são não-programadas.  Schedule é criado pelo operador do sistema durante a configuração do sistema FF ou automaticamente pelas ferramentas de configuração, conforme as estratégias de controle. Periodicamente o LAS faz um broadcast do sinal de sincronização no barramento de tal forma que todos os equipamentos têm exatamente o mesmo data link time.Neste tipo de transmissão (scheduled) o ponto do tempo e as seqüências são exatamente definidas, caracterizando o chamado sistema determinístico. Baseado no Schedule existe uma lista de transmissão que é gerada e que define quando um específico equipamento está pronto para enviar seus dados.

Cada device recebe um Schedule separado que permite que o System Management saiba exatamente que tarefa deve ser executada e quando e ainda quando o dado deve ser recebido ou enviado.

 

Figura 20– Transferência não programada de dados

 

Figura 21 – Transferência programada de dados

 

A lista de todos os equipamentos que respondem convenientemente a passagem de token (PT) é chamada de “Live List”.Periodicamente o LAS envia o Probe Node (PN) aos endereços que não estão no Live List de tal forma que se possa a qualquer instante conectar equipamentos e estes ao responderem com um Probe Response(PR) serão  incluídos no Live List.Ao se remover um equipamento do Live List, o LAS enviará uma mensagem em broadcast a todos os equipamentos informando as mudanças. Isto permite que os Links Masters mantenham uma cópia fiel do Live List.

O nível de aplicação (Application Layer) fornece uma interface para o software aplicativo do equipamento e definirá a maneira de se ler, escrever ou disparar uma tarefa em uma estação remota. Ele também define o modo pelo qual a mensagem deve ser transmitida. O gerenciamento definirá como será a inicialização da rede, através do Tag, atribuição de endereço, sincronização de tempo, escalonamento das transações ou conexão dos parâmetros de entradas e saída dos function blocks. O FAS e FMS são a interface entre o data link layer e o user application, sendo que o primeiro através de seus serviços cria as chamadas VCRs (Virtual Communication Relationships) as quais são usadas no layer superior FMS na execução de tarefas. As VCRs descrevem diferentes tipos de processos de comunicação e habilitam atividades associadas para serem processadas mais rapidamente. O Foundation Fieldbus se utiliza de 3 tipos de VCRs:

• VCR Publisher/Subscriber: transmitindo dados de entrada e saída dos blocos funcionais;
• VCR Cliente/Server: usada em comunicações não-programadas. É base para pedidos de inicialização via operador;
• Report Distribution communication: controlando a operação da rede com levantamento de detecção de falhas e de adição ou remoção de equipamentos.

O FMS provê os serviços de comunicação padrões. A cada tipo de dado são atribuídos serviços de comunicação, chamados de object descriptions, que vão conter toda definição de todos os tipos padrões de mensagens e que serão acessadas via dicionário dos objetos (Object dictionary). Além disso, o FMS define as VFDs(Virtual Field Devices) as quais são usadas para disponibilizar  os object descriptions para toda a rede. As VFDs e os object descriptions são usados para se garantir o acesso local às informações dos equipamentos de qualquer ponto da rede usando serviços associados de comunicação.

O nível do usuário (User Application) é onde realmente a funcionalidade do equipamento ou das ferramentas ganham os seus espaços. É o nível onde transmissores, posicionadores, atuadores, conversores, hosts, etc, fazem a interface com o usuário.Pontos fundamentais do Foundation Fieldbus são a interoperabilidade e a intercambiabilidade entre os fabricantes e seus dispositivos.Isto é conseguido com especificações abertas e que definem de maneira uniforme equipamentos e interfaces padrões.É no nível do usuário que serão definidos os formatos dos dados e a semântica que permitiram que os equipamento compreendam e ajam com inteligência  no manuseio das informações.O Foundation Fieldbus é baseado no conceito de blocos funcionais que executam tarefas necessárias às aplicações, como por exemplo, aquisição de dados(bloco DI, AI), controle PID, cálculos matemáticos(bloco aritmético), de atuação(bloco DO, AO), etc.As transmissões programadas(scheduled) são baseadas nos blocos funcionais.Cada bloco tem uma tarefa associada as suas entradas e/ou saídas.Existem vários blocos funcionais padrões definidos, tais como AI, AO, CS, DI, DO, PID, etc.A quantidade de blocos em um equipamento depende do fabricante.O resource block descreve as características do equipamento de campo, tais como, nome do equipamento, fabricante, número serial, versões de hardware e software. O transducer block expande a complexidade e as possibilidades de aplicação de um equipamento. Seus dados habilitam parâmetros de entradas e/ou saídas dos blocos funcionais. Eles podem ser usados em calibrações, medidas, posicionamentos, linearizações, etc.

Figura 22 – Exemplo de controle usando blocos funcionais

Componentes adicionais são adicionados ao modelo de blocos:

• Link Objects: que definem os links entre os diferentes blocos funcionais, quer sejam internos ou externos.
• Alert Objects: que permitem o reporte de alarmes e eventos na rede fieldbus.
• Trend Objects; que permitem o trend das informações dos blocos funcionais e análises em alto nível.
• View Objects: que são grupos de parâmetros dos blocos funcionais que podem ser mostrados rapidamente em tarefas de monitoração, configuração, manutenção e controle, etc. São divididas em dinâmicas e estáticas, de acordo com os dados.

O grupo de parâmetros nas Views e nos Trends aceleram o acesso às informações.

Durante o comissionamento, start-up e manutenção, assim como ao executar funções de diagnósticos, um sistema de comunicação aberto deve assegurar que o sistema de controle possa acessar todas as informações de todos os equipamentos de campo e ainda ter o controle total dos mesmos. A DD, Device Description, contém todas as informações que garantem estes requisitos. Ela contém informações necessárias para compreender a informação que vem do equipamento e para mostrá-la convenientemente ao usuário. É escrita usando-se a linguagem DDL(Device Description Language), muito próxima da linguagem C, para gerar um arquivo texto que ao ser convertido pelo Tokenizer(Ferramenta de geração de DDs) pode ser distribuída com os equipamentos.

          

Figura 23– Gerando-se a DD

 

As DDs são usadas em conjunto os capabilities files escritos no formato Common File Format (CFF), onde é definido os recursos dos equipamentos e que estão disponíveis.Isto garante que na condição de offline, o host não utilize recursos que não estarão disponíveis no equipamento.

O System Management de cada equipamento tem as seguintes tarefas:

• Sincronização das atividades de dados relevantes no tempo, isto é de acordo com o Schedule de transmissão.
• Processamento cíclico da lista de transmissão (somente o LAS) com o pré-definido Schedule.

Figura 24 – Processamento cíclico dos blocos funcionais

 

Tarefas adicionais são atribuídas ao System Management:

• Atribuição automática de um Link Master a LAS se uma falha ocorrer ao atual LAS.
• Sincronização do clock da aplicação.
• Endereçamento automático de novas estações conectadas.

 

Figura 25 – Transmissão programada e não-programada. Cada equipamento recebe um Schedule separado, habilitando o System Management a saber exatamente qual tarefa deve ser executada, quando deve ser executada e quando deve ser enviado ou recebido dados.

A programação da comunicação bem como a parametrização dos equipamentos devem ser feitas antes do start-up. Basicamente, temos duas fases: Fase de projeto e Fase de configuração dos equipamentos.

As DDs de todos os equipamentos envolvidos na rede devem estar disponíveis para a ferramenta de configuração que determinará como as informações segundo as estratégias de controle serão conectadas através das entradas e saídas dos blocos funcionais (os chamados links). Esta tarefa é facilmente executada com as interfaces gráficas de ferramentas avançadas de configuração, por exemplo o Syscon da SMAR:

 

 

 

 

A figura 26 mostra um controle em cascata onde o valor de pressão, por exemplo, vindo de um transmissor de pressão é conectado ao bloco funcional PID. Este bloco pode ser implementado por exemplo, em um posicionador de válvula, que via bloco AO atua no elemento final. Além da conexão dos blocos funcionais, a ferramenta de configuração também configura as taxas individuais de execução das malhas individuais. Finalmente, o LAS e todos os Link Masters recebem a lista de transmissão segundo o Schedule. A configuração do sistema  está completa e o System Management do LAS e os equipamentos podem cuidar do controle em todo sistema.

 

Figura 27 – Configuração da rede Fieldbus

 

O Foundation Fieldbus ainda possui o HSE, High Speed Ethernet, onde um Link Device (por exemplo, o DFI302, da SMAR) é usado para conectar equipamentos de campo a 31.25 kbit/s a uma rede padrão FF a 100 Mbit/s. É aplicável em redes de alta velocidade com interfaces para sistemas de I/Os, que podem estar conectados a 31.25 kbit/s ou no HSE.

 

Figura 28 – Utilização do HSE em redes densas e envolvendo subsistemas de I/O.

 

AS-interface

Em 1990, na Alemanha, um consórcio de empresas bem sucedidas elaborou um sistema de barramento para redes de sensores e atuadores, denominado Actuator Sensor Interface (AS-Interface ou na sua forma abreviada AS-i). Esse sistema surgiu para atender a alguns requisitos definidos a partir da experiência de seus membros fundadores e para suprir o mercado cujo nível hierárquico é orientado a bit. Desta forma, a rede AS-i foi concebida para complementar os demais sistemas e tornar mais simples e rápida as conexões entre sensores e atuadores com os seus respectivos controladores.

Um sistema industrial formado por redes AS-i é considerado um dos mais econômicos e ideal para comunicação entre atuadores e sensores. Os benefícios da utilização de uma rede AS-i vão desde economias de hardware até o comissionamento de uma rede AS-i propriamente dita.

Vejamos alguns benefícios da rede AS-i:

Simplicidade
Uma rede AS-i é muito simples, pois requer apenas um único cabo para conectar módulos de entradas e saídas de quaisquer fabricantes. Usuários de uma rede AS-i não precisam ter profundos conhecimentos em sistema industriais ou protocolos de comunicação. Diferentemente de outras redes digitais, a rede AS-i não precisa de terminadores e de arquivos de descrição de equipamentos. A simplicidade é seu ponto forte.

Desempenho
Sistemas AS-i são eficazes e incrivelmente rápidos, o que os tornam aptos a substituírem sistemas grandes e com altos custos. Existem mestres AS-i, especialmente, desenvolvidos para comunicarem com sistemas legados de controle e promoverem uma suave integração entre as tecnologias existentes. O melhor de tudo é que isto é realizado de forma simples e confiável.

Flexibilidade
A expansibilidade é muito fácil – apenas conecte um módulo, enderece-o e, então, conecte o cabo da rede. Verifique se LED de alimentação está ligado e, então, você já está liberado para a conexão do próximo módulo. A rede AS-i suporta qualquer topologia de cabeamento: estrela, barramento, árvore, anelar ou qualquer outra configuração com até 100 metros de cabo. Ou, então, com a adição de repetidores é possível expandir o sistema até 300 metros. A rede AS-i é de fácil instalação, pois não há necessidade de terminadores nos pontos finais.

Custo
Redes AS-i tipicamente reduzem o custo de cabeamento e instalação em torno de 50% em comparação com outras redes convencionais. A utilização de um único cabo para conexão com equipamentos discretos reduz a necessidade de gabinete, conduítes e bandejas. As economias geradas na utilização da rede podem ser realmente significantes, pois a utilização de poucos cabos diminui os custos de instalação, comissionamento e, por ser uma rede simples, as horas de engenharia.

O nome Actuator Sensor Interface representa o seu próprio conceito. Apesar de tecnicamente, o "AS-i" ser um barramento, o termo interface mostra que ele fornece uma interface simples para acesso a sensores e atuadores em campo.

As redes industriais AS-i foram concebidas para serem aplicadas em ambientes automatizados, substituindo as conexões tradicionais de atuadores e sensores do tipo "switch" (liga-desliga) por um barramento único. Além desses é possível conectar ao barramento sensores/atuadores que realizam uma conversão analógico/digital ou vice-versa. Tradicionalmente essas conexões são feitas por pares de fios que conectam um a um os atuadores e sensores ao controlador correspondente, em geral um Controlador Lógico Programável (CLP).

O sistema AS-i é configurado e controlado por um mestre, o qual programa a interface entre um controlador e o sistema AS-i. Esse mestre troca informações continuamente com todos os sensores e atuadores ligados ao barramento AS-i de forma pré-determinada e cíclica.

A Figura 29 ilustra o sistema AS-i como um todo, evidenciando os seus principais componentes: cabo, fonte AS-i com seu circuito de desacoplamento, o mestre e o escravo AS-i.

• Interface 1: entre o escravo e os sensores e atuadores;
• Interface 2: entre os equipamentos (fonte, mestre e escravo) e o meio de transmissão;
• Interface 3: entre o mestre e o host, ou seja, uma entidade qualquer que acessa a rede AS-i de um nível superior.

Figura 29 - Componentes e interfaces.

A rede AS-Interface conecta os dispositivos mais simples das soluções de automação. Um único cabo une atuadores e sensores com os níveis superiores de controle. AS-Interface é um sistema de rede padronizado (EN 50295) e aberto, que interliga de maneira muito simples atuadores e sensores.

A conexão dos elementos pode ser feita em estrutura de árvore, estrela, linha ou em uma combinação das anteriores. Não existindo conexões convencionais e reduzindo o número de interligações em bornes e conectores, não somente reduz custos e tempo de montagem, como também reduz erros.

Na tecnologia de conexão usando cabos paralelos, cada contato individual de um equipamento é conectado separadamente para os terminais e bornes de sensores e atuadores. A rede AS-i substitui o tradicional arranjo de cabos múltiplos, caixas de passagem, canaletas, dutos de cabos por um simples cabo especialmente desenvolvido para rede AS-i.

A rede AS-i se caracteriza por somente em um par de fios, caminharem junto a alimentação dos sensores ou atuadores em 24Vcc e a informação do estado dos mesmos. A configuração máxima da rede é de 62 participantes (escravos) que são acessados ciclicamente por um mestre no nível de controle superior.  O tempo de reação é curto, para todos os escravos conectados, o tempo de resposta é de 10ms.

Anteriormente, sensores e atuadores tinham de ser conectados ao controlador via terminais, conectores e terminais de blocos. AS-i proporciona uma redução nos custos de instalação e manutenção. Agora, um cabo padronizado com 2 fios habilita a troca de informações e ao mesmo tempo a alimentação dos equipamentos. Escravos são conectados diretamente no barramento sem a necessidade de interligação adicional.

Este cabo de flexível de duas vias é considerado o padrão para a rede AS-i. Existe ainda um outro cabo com formato circular que deve ser usado somente se for explicitamente especificado pelo fabricante.

Este cabo flexível de alta tensão está em conformidade com as normas CENELEC ou DIN VDE 0281, designado por H05VV-F 2X1. 5 e é barato e fácil de se obter.

 

 

Figura 30 - Cabos padrões do barramento AS-i

 

DeviceNet

DeviceNet é um rede digital, multi-drop para conexão entre sensores, atuadores e sistema de automação industrial em geral. Ela foi desenvolvida para ter máxima flexibilidade entre equipamentos de campo e interoperabilidade entre diferentes vendedores.

Apresentado em 1994 originalmente pela Allen-Bradley, o DeviceNet teve sua tecnologia transferida para a ODVA em 1995. A ODVA (Open DeviceNet Vendor Association) é uma organização sem fins lucrativos composta por centenas de empresas ao redor do mundo que mantém, divulga e promove o DeviceNet e outras redes baseadas no protocolo CIP (Common Industrial Protocol). Atualmente mais de 300 empresas estão registradas como membros, sendo que mais de 800 oferecem produtos DeviceNet no mundo todo.

A rede DeviceNet é classificada no nível de rede chamada devicebus, cuja características principais são: alta velocidade, comunicação a nível de byte englobando comunicação com equipamentos discretos e analógicos e alto poder de diagnostico dos devices da rede.

A tecnologia DeviceNet é um padrão aberto de automação com objetivo de transportar 2 tipos principais de informação:

• dados cíclicos de sensores e atuadores, diretamente relacionados ao controle e,
• dados acíclicos indiretamente relacionados ao controle, como configuração e diagnóstico.

Os dados cíclicos representam informações trocadas periodicamente entre o equipamento de campo e o controlador. Por outro lado, os acíclicos são informações trocadas eventualmente durante configuração ou diagnóstico do equipamento de campo.

A camada física e de acesso da rede DeviceNet é baseada na tecnologia CAN (Controller Area Network) e as camadas superiores no protocolo CIP, que define uma arquitetura baseada em objetos e conexões entre eles.

Uma rede DeviceNet pode conter até 64 dispositivos onde cada dispositivo ocupa um nó na rede, endereçados de 0 a 63. Qualquer um destes pode ser utilizado. Não há qualquer restrição, embora se deva evitar o 63, pois este costuma ser utilizado para fins de comissionamento.

Um exemplo de rede DeviceNet é mostrada  na figura 31.

 

Figura 31 - Exemplo de Rede DeviceNet

 

Características da rede DeviceNet

• • Topologia baseada em tronco principal com ramificações. O tronco principal deve ser feito com o cabo DeviceNet grosso, e as ramificações com o cabo DeviceNet fino ou chato. Cabos similares podem ser usados desde que suas características elétricas e mecânicas sejam compatíveis com as especificações dos cabos padrão DeviceNet.
  • Permite o uso de repetidores, bridges, roteadores e gateways.
  • Suporta até 64 nós, incluindo o mestre, endereçados de 0 a 63 (MAC ID).
  • Cabo com 2 pares: um para alimentação de 24V e outro para comunicação.
  • Inserção e remoção à quente, sem perturbar a rede.
  • Suporte para equipamentos alimentados pela rede em 24V ou com fonte própria.
  • Uso de conectores abertos ou selados.
  • Proteção contra inversão de ligações e curto-circuito.
  • Alta capacidade de corrente na rede (até 16 A).
  • Uso de fontes de alimentação de prateleira.
  • Diversas fontes podem ser usadas na mesma rede atendendo às necessidades da aplicação em termos de carga e comprimento dos cabos.
  • Taxa de comunicação selecionável:125,250 e 500 kbps.
  • Comunicação baseada em conexões de E/S e modelo de pergunta e resposta.
  • Diagnóstico de cada equipamento e da rede.
  • Transporte eficiente de dados de controle discretos e analógicos.
  • Detecção de endereço duplicado na rede.
  • Mecanismo de comunicação extremamente robusto a interferências eletromagnéticas.

Para mais informação, visite também o site da ODVA: http://www.odva.org/

 

HART/4-20mA

Atualmente muito se fala em termos de redes fieldbus, mas tem-se muitas aplicações rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos inteligentes e utilizando-se da comunicação digital de forma flexível sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das informações.

Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle.

Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão.

Em termos de performance, podemos citar como características do HART:

• Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e manutenção.
• Compatível com a instrumentação analógica;
• Sinal analógico e comunicação digital;
• Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop;
• Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres;
• Suporta equipamentos multivariáveis;
• 500ms de tempo de resposta (com até duas transações);
• Totalmente aberto com vários fornecedores;

As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a atender todas as aplicações.

Veremos a seguir alguns detalhes do protocolo HART.

 

A simplicidade: o HART e o loop de corrente convencional

As figuras 32 e 33 nos mostram como entender o HART facilmente. Na figura 32, temos um loop de corrente analógica, onde os sinais de um transmissor variam a corrente que passa por ele de acordo com o processo de medição. O controlador detecta a variação de corrente através da tensão sob um resistor sensor de corrente. A corrente de loop varia de 4 a 20mA para freqüências usualmente menores que 10 Hz.

A figura 33 é baseada na figura 32, onde o HART foi acrescido. Agora ambas terminações do loop possuem um modem e um amplificador de recepção, sendo que este possui alta impedância de tal forma a não carregar o loop de corrente. Note ainda que o transmissor possui uma fonte de corrente com acoplamento AC e o controlador uma fonte de tensão com acoplamento AC.A chave em série com a fonte de tensão no controlador HART em operação normal, fica aberta.No controlador HART os componentes adicionais podem ser conectados no loop de corrente, como mostrado ou através do resistor sensor de corrente.Do ponto de vista AC, o resultado é o mesmo, uma vez que a fonte de alimentação é um curto-circuito.Note que o sinal analógico não é afetado, uma vez que os componentes adicionados são acoplados em AC. O amplificador de recepção freqüentemente é considerado como parte do modem e usualmente não é mostrado separadamente.Na figura 33 foi desenhado separadamente para mostrar como se deriva o sinal de tensão de recepção. O sinal de recepção não é somente AC, nem no controlador ou mesmo no transmissor.

Para enviar uma mensagem, o transmissor ao ligar sua fonte de corrente, fará com que se sobreponha um sinal de corrente de 1 mA pico-a-pico de alta freqüência sobre o sinal analógico da corrente de saída. O resistor R no controlador converterá este sinal em tensão no loop e esta será amplificada no receptor chegando até ao demodulador do controlador (modem). Do mesmo modo, para enviar uma mensagem ao transmissor, o controlador fecha sua chave, conectando sua fonte de tensão que sobrepõe um tensão de aproximadamente 500 mV pico-a-pico através do loop. Esta é vista nos terminais do transmissor e encaminhada ao amplificador e demodulador. Note que existe uma implicação na figura 33 que é que o mestre transmita como fonte de tensão enquanto o escravo, como fonte de corrente.A figura 34 mostra detalhes do sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo com as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas causadas por outros elementos no loop.O HART se utiliza do FSK, chaveamento por mudança de freqüência(Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz, representa o 0 binário.Note que estas freqüências estão bem acima da faixa de freqüências do sinal analógico(0 a 10 Hz) de tal forma que não há interferências entre elas.Para assegurar uma comunicação confiável, o protocolo HART especifica uma carga total do loop de corrente, incluindo as resistências dos cabos, de no mínimo 230 Ohms e no máximo 1100 Ohms.

 

Figura 32 – Loop de corrente convencional

 

Figura 33 – Loop de corrente acrescido o HART

 

Figura 34 – Modulação e sinal HART

 

Equipamentos de campo e handhelds (programadores de mão) possuem um modem FSK integrado, onde via port serial ou USB de um PC ou laptop pode-se conectar uma estação externamente. A figura 35 mostra uma conexão típica HART de campo. Veremos posteriormente, outros tipos de conexões.

 

Figura 35 – Elementos típicos de uma instalação HART

Figura 36 – Conexão HART ponto-a-ponto

Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a da figura 36, é necessário que o endereço do equipamento seja configurado para zero, desde que se use o modo de endereço na comunicação para acessá-lo.

Em sistemas considerado grandes, pode-se utilizar-se de multiplexadores para acessar grandes quantidades de equipamentos HART, como por exemplo, na figura 37, onde o usuário deverá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host. Nesta situação em cascata, o host pode comunicar com vários equipamentos(mais do que 1000), todos com endereços zero.

Ainda podemos ter rede em multidrop e condições de split-range. Na figura 38, na conexão em multidrop, observe que podem ser ligados no máximo até 15 transmissores em paralelo na mesma linha. A corrente que passa pelo resistor de 250 Ohms (foi ocultado na figura) será alta, causando uma alta queda de tensão.

Portanto, deve-se assegurar que a tensão da fonte de alimentação seja adequada para suprir a tensão mínima de operação.

No modo multidrop a corrente fica fixa em 4mA, servindo apenas para energizar os equipamentos no loop.

 

Figura 37 - Conexão HART via multiplexador

 

 

 

 

A condição de split-range é usada em uma situação especial onde normalmente dois posicionadores de válvulas recebem o mesmo sinal de controle, por exemplo, um operando com corrente nominal de 4 a 12 mA e o outro de 12 a 20 mA. Nesta condição, os poscionadores são conectados em série no loop de corrente com endereços diferentes e o host será capaz de distingui-los via comunicação.Veja figura 39.

 

Figura 39 – Conexão HART via Split Range

 

Como visto anteriormente, o HART se utiliza do sinal de 4-20mA, sobrepondo um sinal em técnica FSK, chaveamento por mudança de freqüência (Frequency Shift keying), onde a freqüência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz representa o 0 binário.Cada byte individual do telegrama do layer 2 é transmitido em 11 bits, usando-se 1200 kHz.

 

Cabeamento

Utiliza-se um par de cabos trançados onde se deve estar atento à resistência total já que esta colabora diretamente com a carga total, e agindo na atenuação e distorção do sinal. Em longas linhas e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo com shield, sendo este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo da fonte de alimentação.

 

 

Layer 2

O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura 40 mostra de maneira simples o modelo de troca de dados entre mestre e escravo. Toda comunicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na linha se houve um pedido para ele.Existe todo um controle de tempo entre envios de comandos pelo mestre.Inclusive existe um controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no barramento.

 

Figura 40 – Frame HART

 

A convivência de vários protocolos em uma mesma planta

Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários protocolos torne-se uma constante, principalmente onde o parque instalado for grande e deseja-se preservar os investimentos feitos. A figura 41 é um exemplo típico de sistema onde se tem em uma mesma planta os protocolos Foundation Fieldbus e HART.Neste caso, uma interface HART-FF, o HI302, é utilizado, permitindo conexões ponto-a-ponto e multidrop. O HI302 é uma ponte entre equipamentos HART e sistemas Foundation Fieldbus, possui 8 canais HART master e permite ao usuário executar manutenção, calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do equipamento, dentre outras informações.

 

Figura 41 - Integração Foundation Fieldbus e HART usando o HI302

 

WirelessHART™

Nos últimos anos, a tecnologia de redes sem fio sofreu grandes avanços tecnológicos o que hoje pode proporcionar: segurança, confiabilidade, estabilidade, auto-organização (mesh), baixo consumo, sistemas de gerenciamento de potência e baterias de longa vida.

Em termos de benefícios podemos citar, entre outros:

• a redução de custos e simplificação das instalações
• a redução de custos de manutenção, pela simplicidade das instalações
• monitoração em locais de difícil acesso ou expostos a situações de riscos
• escalabilidade
• integridade física das instalações com uma menor probabilidade à danos mecânicos e elétricos (rompimentos de cabos, curto circuitos no barramento, ataque químico, etc)

Hoje no mercado vemos várias redes proprietárias e também algumas padronizadas. Existem muitos protocolos relacionados com as camadas superiores da tecnologia (ZigBee, WirelessHART™, ISA SP100) e o protocolo IEEE 802.15.4 (2006) para as camadas inferiores. O protocolo IEEE 802.15.4 define as características da camada física e do controle de acesso ao meio para as LR-WPAN (Low-Rate Wireless Personal Area Network).

A padronização para redes sem fio mostra que, ainda que existam diferenças, as normas estão convergindo e a principal dentre elas, a SP100 e WirelessHART™, da ISA e HCF (HART Foundation e que hoje vem sendo adotado como padrão para a Foundation Fieldbus e Profibus). Vamos comentar um pouco sobre o WirelessHART™.

A estrutura de uma rede WirelessHART™ está representada no diagrama da figura 42, onde a comunicação de uma rede WirelessHART™ é feita através de uma gateway.

Conseqüentemente, o gateway precisa ter a funcionalidade de um roteador de pacotes para um destino específico (instrumento da rede, aplicação hospedeira ou gerenciador da rede). O gateway usa o padrão de comandos HART para comunicar com os instrumentos na rede e aplicações hospedeiras (host applications).

 

Figura 42 – Estrutura de uma rede WirelessHART™

Incluso ao HART 7 está o WirelessHART™, o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio desenvolvido especificamente para atender as necessidades da indústria de processo.

Opera na freqüência de 2.4 GHz ISM usando o Time Division Multiple Access (TDMA) para sincronizar a comunicação entre os vários equipamentos da rede. Toda a comunicação é realizada dentro de um slot de tempo de 10ms. Uma slots de tempo formam um superframe.

Suporta chaveamento de canais (channel hopping) a fim de evitar interferências e reduzir os efeitos de esvanecimento multi-percurso (multi-path fadings). O protocolo HART foi elaborado com base na camada 7 do protocolo OSI. Com a introdução da tecnologia sem fio ao HART têm-se duas novas camadas de Data Link: token-passing e TDMA. Ambas suportam a camada de aplicação HART.

 

Figura 43- Sistema Wireless com o DF100 (Controlador HSE- WirelessHART™)

Na figura 43 temos o primeiro controlador HSE (High Speed Ethernet) WirelessHART™. É um controlador da SMAR que traz ao mercado mais uma inovação. É um controlador com tecnologia digital aberta e integrável em sistemas baseados em HSE.

Uma rede de comunicação WirelessHART™é estruturada em malhas, onde cada sensor funciona como um “router” ou como um repetidor. Deste modo, o alcance de uma rede não depende apenas de uma “gateway” central, o que permite a configuração de uma ampla estrutura de rede distribuída. É uma forma inteligente de se garantir que em uma situação de obstrução que possa causar a interrupção de um caminho de comunicação, o sistema remaneja e consegue rotas alternativas, aumentando e garantindo assim a disponibilidade da rede.

O WirelessHART™ adota uma arquitetura utilizando uma rede “Mesh” baseado no IEEE 802.15.4 operando na faixa de 2,4 GHz. Os rádios utilizam o método de DSSS (espalhamento espectral com seqüenciamento direto) ou salto de canais FHSS (Spread Spectrum de salto de freqüências) para uma comunicação segura e confiável assim como comunicação sincronizada entre os dispositivos da rede utilizando TDMA (Time Division Multiple Access).

As redes “Mesh” permitem que os nós da rede comuniquem entre si estabelecendo caminhos redundantes até a base, aumentando a confiabilidade, pois se um caminho esta bloqueado existem rotas alternativas para que a mensagem chegue ao seu destino final. Este tipo de rede também permite escalabilidade simplesmente adicionando mais nós ou repetidores na rede. Outra característica é que quanto maior a rede maior a confiabilidade porque mais caminhos alternativos são automaticamente criados.

Uma rede WirelessHART™ possui três dispositivos principais:

• Wireless Field devices: equipamentos de campo
• Gateways: permitem a comunicação entre os equipamentos de campo e as aplicações de controle
• Network Manager: responsável pela configuração da rede, gerenciamento da comunicação entre os dispositivos, rotas de comunicação e monitoramento do estado da
  rede. O Network Manager pode ser integrado em um gateway, aplicação no host ou
  em um controlador de processo.

 

Sistema de automação aberto baseado em redes industriais

A figura 44 mostra um exemplo de um sistema verdadeiramente aberto baseado em redes industriais. O SYSTEM302, sistema de automação e controle da SMAR, fornece uma plataforma de automação com ampla capacidade de conectividade com as mais diversas tecnologias (Foundation Fieldbus, Profibus-DP, Profibus-PA, HART/4-20mA, DeviceNet, AS-i, I/O convencional, Modbus, DNP3, HSE, etc), criando um ambiente amigável, flexível, escalonável, integrado e colaborativo. O ambiente integrado facilita a engenharia, comissionamento, manutenção e gestão de redes de campo. Sua interface intuitiva permite a fácil operação e diagnóstico de todo o sistema. É uma arquitetura poderosa de informações e a solução para:

• Sistemas de automação para os mais diversos segmentos industriais
• Aplicações de pequeno, médio e grande porte
• Sistemas híbridos de controle de processo, combinando o melhor dos dois mundos, SDCD e CLP
• Controle contínuo e discreto, controle avançados, tempos de varreduras menores, arquiteturas redundantes
• Melhoria da eficácia operacional através de informações integradas
• Gerar soluções eficazes através da engenharia simplificada e integrada
• Gerenciamento de informações e alarmes
• Gerenciamento de Ativos e gestão de Negócios (MES)
• Conectividade, modularidade e facilidade de expansão
• Segurança aliada à confiabilidade de hardware e software
• Excelência operacional

Para mais detalhes, consulte: https://www.smar.com.br/pt/system302

 

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Figura 44 – Exemplo de um Sistema Digital Aberto, baseado em redes industriais: SYSTEM302, SMAR

 

Conclusão:

As Redes de Comunicação Industrial têm um papel fundamental para as indústrias em geral. Hoje a automação extrapola o chão de fábrica e chega ao mundo dos negócios. Vimos vários padrões abertos e suas características.

O fator tecnológico é imprescindível para a sustentabilidade de uma unidade industrial. A inovação tecnológica é responsável pelo rompimento e/ou aperfeiçoamento das técnicas e processos de produção. Pode, desta forma, trazer ganhos em termos de competitividade. Neste caso, deve-se romper com a tecnologia convencional e ampliar as possibilidades de sucesso com a inovação demandada pelo mercado, neste caso sistemas de automação verdadeiramente aberto, com tecnologia digital, baseado em redes industriais e com várias vantagens comparadas aos convencionais SDCDs:

• • Redução do erro de medição com a eliminação da conversão A/D do sinal vindo do transmissor de campo
  • Visibilidade acrescida de toda a instrumentação digital, isto é, desde o chão de fábrica até a automação dos negócios
  • Diagnósticos em linha, em qualquer ponto do sistema
  • Expansão da rede com o sistema em funcionamento
  • Redução de materiais na fase de montagem: eletrocalhas, eletrodutos, condulets, caixas de junção, cabos, etc.
  • Reduções de tempo e custo de comissionamento e partida de sistemas
  • Redução no uso de armários de rearranjo
  • Interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes diferentes.
  • Atualização de firmware
  • Instrumentos multivariáveis
  • Redução do cabeamento, painéis, borneiras, fontes de alimentação, conversores e espaço na sala de controle
  • Alimentação do instrumento pelo mesmo cabo de sinal
  • Opções de segurança intrínseca
  • Capacidade de auto sensing (auto reconhecimento) do instrumento permitindo fácil instalação e download de parâmetros
  • Redução dos custos de engenharia, instalação e manutenção. Além do controle de fluxo de informações e processos.
  • Gestão de ativos

A mudança do controle de processo da tecnologia 4-20 mA para as redes digitais e sistemas abertos já se encontra num estágio de maturidade tecnológica e usuários colhendo seus benefícios. Essa mudança é encarada como um processo natural demandado pelos novos requisitos de qualidade, confiabilidade e segurança do mercado. A sua utilização traz uma vantagem competitiva, no sentido que essa nova tecnologia traz aumentos de produtividade pela redução das variabilidades dos processos e redução dos tempos de indisponibilidade das malhas de controle.

Autor

• César Cassiolato

Referências:

• Material de Treinamento Profibus, César Cassiolato.
• Artigos técnicos Foundation Fieldbus, HART, Profibus, Wireless, César Cassiolato
• Manuais SMAR
• https://www.smar.com.br/pt/system302
• https://www.smar.com.br/pt
• Pesquisas na internet (Todas as ilustrações, marcas e produtos usados aqui pertencem aos seus respectivos proprietários, assim como qualquer outra forma de propriedade intelectual).

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