Rede Fieldbus
Saudações leitores, neste post vou compartilhar com vocês algumas informações que adquiri fazendo uma pesquisa para um seminário da faculdade sobre redes Fieldbus. Fieldbus é um sistema de rede de comunicação industrial para controle em tempo real.
Atualmente há uma vasta variedade de padrões fieldbus. Alguns dos mais amplamente usados incluem:
- AS-Interface
- CAN
- DeviceNet
- FOUNDATION fieldbus
- HART protocol
- Industrial Ethernet
- Interbus
- LonWorks
- Modbus
- Profibus
- SERCOS
- Profinet
FOUNDATION Fieldbus: A organização Fieldbus FOUNDATION surgiu em 1994, da união de dois grupos de empresas internacionais denominadas ISP (Interoperable Systems Project) e WorldFIP (World Factory Instrumentation Protocol). Ambos os grupos tinham como finalidade desenvolver uma tecnologia que pudesse ser usada em áreas classificadas (áreas potencialmente explosivas). [3]
Com essa união (ISP e WorldFIP), o grupo passou a ter também um outro objetivo que era criar um padrão internacional baseado em normas IEC que pudesse ser utilizado pela indústria de automação e controle de processos, e daí foi criado o protocolo FOUNDATION Fieldbus. Essa organização, existente até hoje, é quem cuida da manutenção e evolução deste protocolo. [3]
É um sistema da comunicação totalmente digital, em série e bidirecional que conecta equipamentos "Fieldbus" tais como sensores, atuadores e controladores. O Fieldbus é uma rede local (LAN) para automação e instrumentação de controle de processos, com capacidade de distribuir o controle no campo. [1]
O termo fieldbus descreve uma rede de comunicação digital que veio substituir o sistema de sinal analógico 4 - 20 mA existente ainda hoje nas indústrias (e muito difundido devido a sua imunidade à interferências eletromagnéticas, apesar de sua tecnologia ultrapassada desenvolvida na década de 60). [2]
O fieldbus é utilizado principalmente para interligar dispositivos primários de automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automação e controle de processos. [2]
Vale ressaltar que o fieldbus baseia-se no modelo ISO/OSI e que os níveis implementados são o 1, 2 e 7. O modelo é reduzido para atender aos requisitos de tempo de resposta. [2]
MODELO ISO/OSI:
Camada 1 -> Física (Transmissão binária): Especifica as conexões elétricas, cabos, pinagem, sentido do fluxo, etc.
Camada 2 -> Enlace (Acesso aos meios): Controle de linha, faz a detecção e correção de erros (fiscaliza a linha).
Camada 7 -> Aplicação (Processos de rede para aplicações): São os programas, aplicativos de usuário (banco de dados, correios eletrônicos, etc).
Exemplos de aplicação: [4]
- Interligação de computadores.
- Integração de computadores aos CLP's.
- Integração dos CLP's a dispositivos inteligentes.
- Controladores de solda.
- Robôs.
- Terminais de válvulas.
- Balanças.
- Sistemas de identificação.
- Sensores.
- Centros de comando de motores.
- Plantas de produção de etanol/açúcar.
Vantagens da rede Fieldbus:
- Menos material: A instalação de uma rede Fieldbus (que é multiponto) requer 1/5 menos cabos do que as ponto-a-ponto.
- Menos trabalho para instalação: O sistema Fieldbus requer menos trabalho para instalação e economiza dinheiro devido a redução de material necessário para instalação.
- Menos tempo para projetar: Devido a pouca complexidade, o tempo de trabalho para projetar o layout de uma rede Fieldbus é pequeno.
- Facilidade de depuração (encontrar erros): Possibilidade de diagnóstico online dos dispositivos de campo.
- Maior segurança e baixa complexidade: Estes fatores facilitam a manutenção da rede.
- Melhora de performance: Fieldbus permite um aumento da flexibilidade na hora de projeto, pois alguns algoritmos e procedimentos de controle podem ficar no próprio dispositivo de campo e não mais no programa de controle.
O protocolo FOUNDATION Fieldbus é semelhante a vários outros padrões existentes, porém, se destaca por possuir um LAS (Link Active Scheduler). Segundo [3], o LAS é uma entidade responsável por gerenciar as mensagens. Um outro diferencial é a possibilidade de usar um Mestre Backup na rede. Com isto, um equipamento de campo pode ser configurado para assumir o controle da rede caso haja algum problema no controlador principal. Isto assegura que a rede não pare de funcionar enquanto o problema não é resolvido. Isto é possível pois, a base para a arquitetura de um equipamento FF (FOUNDATION Fieldbus) é formada por blocos funcionais, que são responsáveis por executar tarefas como, aquisição de dados, controle PID, cálculos e atuação. Os blocos funcionais possuem algoritmos e bases de dados que são definidos pelo usuário. Os parâmetros de cada bloco são endereçados no FF através do esquema TAG/PARÂMETRO/NOME. [3]
Características técnicas: [3]
- Nível de tensão do sinal: 750 a 1000 mV.
- Camadas utilizadas: Física (Physical Layer), Enlace (Data Link Layer), Aplicação (Application Layer) e Interface com o Usuário (User Interface).
- Velocidade de transmissão utilizada: Modo H1 - 31,25 Kbps. Modo HSE - 10 Mbps ou 100 Mbps.
- Tipo de codificação: Manchester.
- Alimentação: cada equipamento na rede deve ser alimentado com no mínimo 9V. Essa alimentação pode ser externa ou via barramento.
- Comprimento máximo do segmento: 1900 m sem repetidor (H1) e 100 m (HSE). É permitido o uso de até 4 repetidores, o que faz com que a extensão da rede alcance 9,5 km.
- Número de equipamentos no barramento: até 32. Este número pode variar de acordo com a classificação da área, o consumo de corrente nestes equipamentos, as distâncias envolvidas entre mestre e escravos e o tipo de cabo utilizado na instalação.
- Área com segurança intrínseca: utilização de até 9 equipamentos em áreas classificadas como Grupo IIC e até 23 equipamentos em áreas classificadas como Grupo IIB. Esses valores usam como referência uma corrente quiescente de 10 mA.
- Topologias: barramento, árvore ou estrela.
Meio Físico: [3]
As primeiras versões da norma especificam duas opções para a camada física: H1 e H2. O H1, com taxa de 31,25 Kbits/s é voltado basicamente para equipamentos de campo (transmissores, posicionadores de válvula, etc), e pode ser usado em áreas onde é necessária segurança intrínseca (ambientes explosivos). O H2, com taxa de 1 a 2,5 Mbits/s, seria utilizado para integrar controladores e equipamentos mais complexos. Devido à rápida evolução tecnológica, o H2 foi substituído pelo HSE, que usa Ethernet a 100 Mbits/s.
- Assim, para conexão de equipamentos de campo há o FOUNDATION Fieldbus H1, com camada física baseada na ISAS50.02-1992 ou IEC61158-2:2000.
- Para conexão entre PLC'S, Linking Devices, Gateways e PC's, há o FOUNDATION Fieldbus HSE, baseado em Ethernet (IEEE802.3-2000, ISO/IEC8802.3-2000).
A tabela abaixo mostra um comparativo entre os meios físicos H1 e HSE.
Tabela 1 - Comparação entre as Camadas Físicas do Protocolo FF. Fonte: [3].
Fazendo uma comparação entre os protocolos Profibus e FOUNDATION Fieldbus, o Profibus PA atua no mesmo nível que o FOUNDATION Fieldbus, e o Profinet atua no mesmo nível que o HSE.
Tipos de cabos:
Existe basicamente 4 tipos de cabos que podem ser usados em uma rede FF. A tabela abaixo detalha estes cabos.
Tabela 2 - Características dos cabos. Fonte: [3].
Distâncias mínimas de separação entre cabos:
Uma das situações que podem causar interferência nos sinais que estão sendo transmitidos é a proximidade com alguns tipos de cabos. Para evitar este tipo de problema, na tabela abaixo estão indicadas as distâncias mínimas recomendadas para instalação dos cabos. [3]
Tabela 3 - Distâncias Mínimas de Separação entre Cabeamentos. Fonte: [3].
REFERÊNCIAS:
REFERÊNCIAS COMPLEMENTARES:
[3.1] - MATA, R. S. (2011). Descobrindo a Tecnologia Foundation Fieldbus Parte 1: Fundamentos e Principais Características. Disponível em: < http://www.mecatronicaatual.com.br/secoes/leitura/756 >.
[3.2] - ALBUQUERQUE, P. U. B., ALEXANDRIA, A. R. (2009). Redes Industriais – Aplicações em Sistemas Digitais de Controle Distribuído. Ensino Profissional Editora.
[3.3] - Manual dos procedimentos de instalação, operação e manutenção – Geral Profibus PA. Smar, 2009.
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