Instrumentação Fieldbus: Introdução e Conceitos

(1)

Departamento de Engenharia Química e de Petróleo – UFF

Instrumentação Fieldbus:

Outros Processos de

Separação

ç

Introdução e Conceitos

custo

Prof

a

_{Ninoska Bojorge}

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¾ Segundo nível • Terceiro nível

– Quarto nível

Introdução

Fez surgir muitas Competitividade

Complexidade dos

Fez surgir muitas alternativas tecnológicas p/ suprir demanda de Desenvolvimento das indústrias p

processos Instrumentação moderna

p

sistemas de monitoramento e controle mais

Objetivos da Automação Industrial:

eficiente

¾

Aumento da segurança

¾

Diminuição dos custos operacionais

¾

Melhoria das condições de operação

¾

Simplificação das instalações

¾

Aumento dos níveis de controle

¾

Aumento dos níveis de acompanhamento

(2)

– Quarto nível

Introdução

À medida que os processos controlados se multiplicaram, surgiu a

q

p

,

g

necessidade da operação se realizar à distância e de forma centralizada.

Sensor Controlador local Válvula de Controle Processo

???

Sala de Controle _Planta Controle _Planta industrial

– Quarto nível

Introdução

A tecnologia Pneumática usa um sinal de pressão de ar (3 - 15 psi) como

A tecnologia Pneumática usa um sinal de pressão de ar (3 15 psi) como

elemento de comunicação entre seus elementos.

Sensor Instrumentação Pneumática:

> Opera com segurança em áreas de riscos

+

Controlador local > Opera com segurança em áreas de riscos

• Custo elevado • Pouco flexível • Manutenção dispendiosa

+

Válvula de Controle Processo Manutenção dispendiosa • Precisão reduzida

• Permite Operação à distância, mas limitada (∼100m)

-O ã à Di tâ i ( ) Operação à Distância Sala de Planta Controle Planta industrial

(3)

– Quarto nível

Tecnologia Eletrônica (Analógica) ou Transmissor a 2 fios/4 fios

Vantagens: Permite transmissão para longas distâncias sem perdas

Vantagens: Permite transmissão para longas distâncias sem perdas.

A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. Permite fácil conexão aos computadores Fácil instalação Permite de forma mais fácil Permite fácil conexão aos computadores. Fácil instalação. Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja “lido” por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos (limitado pela resistência interna). )

Desvantagens: Exige no mínimo um par de fios para cada instrumento. Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos

e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos.

Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos.

Alimentação (110 vac) Saída 4 a 20 mA

– Quarto nível

G d i d

Tecnologia Digital

Graças ao uso dos microprocessadores, os instrumentos se tornam inteligentes e totalmente configuráveis via software. Entre as vantagens da instrumentação digital sobre a analógica são de instrumentação digital sobre a analógica são de salientar

:

a) Resolução da apresentação da informação

Os melhores indicadores analógicos não permitem uma resolução muito superior a uma parte em cem, correspondente a um aparelho digital com apenas dois dígitos Por outro lado é digital com apenas dois dígitos. Por outro lado é possível construírem-se aparelhos digitais com resolução de seis ou mais dígitos.

b) Apresentação da informação

A indicação digital é de mais fácil leitura que a analógica, eliminando por exemplo erros de paralaxe. Essa característica permite a utilização por pessoal não especializado.

c) Utilização da informação (+)

Pela sua natureza, a informação sob a forma digital permite a sua utilização direta por computadores, facilitando a sua transmissão e armazenamento.

d) Imunidade ao Ruído

6

(4)

¾ Segundo nível • Terceiro nível – Quarto nível D t Tecnologia Digital Desvantagens:

Caros: Mais onerosos do que os correspondentes aparelhos analógicos, mas os digitais são na maior parte dos casos uma melhor solução se se tiver em conta fatores como:

precisão,

p ,

funcionalidade,

resistência e possibilidade de reparação (a que corresponde um maior tempo de vida útil).

7

¾ Segundo nível • Terceiro nível – Quarto nível

Filosofias de Distribuição

E/S

(5)

– Quarto nível

Sistema Digital de Controle

Distribuído (SDCD)

O Sistema digital de controle distribuído ou SDCD é um

equipamento da área de automação industrial que tem como

função primordial o controle de processos

e forma a permitir uma

otimização

da produtividade industrial,

estruturada

na diminuição

de custos de produção, melhoria na

qualidade

dos produtos,

precisão

das operações

segurança

operacional entre outros

precisão

das operações,

segurança

operacional, entre outros.

Usados no controle de processos de manufatura de natureza

tanto continua quando orientada por lotes.

Exemplo: refino de petróleo, petroquímicas, usinas elétricas,

farmacêuticas indústria de alimentos e bebidas produção de

farmacêuticas, indústria de alimentos e bebidas, produção de

cimento, metalurgia e indústria de papel.

9

– Quarto nível

Sistema Digital de Controle

Distribuído (SDCD)

Constituído por:

Co s u do po

Processadores e redes redundantes e permite uma descentralização do

processamento de dados e decisões através do uso de unidades remotas na

processamento de dados e decisões, através do uso de unidades remotas na

planta.

Interface homem-máquina (IHM) que permite o interfaceamento com

controladores lógicos programáveis (CLP), controladores PID, equipamentos de

comunicação digital e sistemas em rede.

É através das Unidades de Processamento, distribuídas nas áreas, que os

sinais dos equipamentos de campo são processados de acordo com a

t té i

d

E t

i

t

f

d

i f

ã d

estratégia programada. Estes sinais, transformados em informação de

processo, são atualizados em tempo real nas telas de operação das Salas de

Controle.

(6)

– Quarto nível

Redes de Comunicação

Os sistemas de controle antigos tinham a sua instalação e

manutenção implicando em altos custos principalmente

ç

p

quando se desejava ampliar uma aplicação, onde além dos

custos de projeto e equipamento, estão os custos com

cabeamento dos equipamentos de campo à unidade central

de controle.

Para minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade

de uma aplicação introduziu-se o conceito de

p

ç

rede de

comunicação digital para interligar

os vários equipamentos

de uma aplicação

11 Redes de Comunicação

Redes de Comunicação

Interligação de Computadores

Integração de computadores aos CLP’s

Integração dos CLP’s a dispositivos

inteligentes

Integração dos CLP’s a dispositivos

inteligentes

¾

Controladores

¾

Terminais de válvulas

¾

Terminais de válvulas

¾

Sistemas de Identificação

¾

Sensores

C

t

d

d d

t

¾

Centros de comando de motores

¾

etc.

12

(7)

– Quarto nível

13

– Quarto nível

Redes de Comunicação

O projeto de implantação 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

á i fi

l

d

b

l t f

d

li

ã

usuário final, que deve

buscar uma plataforma de aplicação

compatível com o maior número de equipamentos possíveis.

Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas

abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias onde

f b i

t l

d t

tí

i

apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua

própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais

de um fabricante a solução para os seus problemas

de um fabricante a solução para os seus problemas.

Além disso, muitas redes abertas possuem organizações de

usuários que podem fornecer informações e possibilitar trocas

de experiências a respeito dos diversos problemas de

funcionamento de uma rede

funcionamento de uma rede.

(8)

– Quarto nível

Níveis de Automação

Redes industriais são padronizadas em níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação

Nível de monitoramento estatístico (softwares gerenciais)

Padrão Ethernet (TCP/IP)

Nível de controle da Nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando PLCs, SDCD e PCs SDCD e PCs Nível de controle ou o nível de I/O.

15

– Quarto nível

Redes de

Redes de Comunicação:

Comunicação:

classificação

As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de

equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega

pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos.

¾

As redes com dados em formato de bits transmitem sinais

¾

As redes com dados em formato de bits transmitem sinais

discretos contendo simples condições ON/OFF.

¾

As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes

¾

As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes

de informações discretas e/ou analógicas

¾

As redes com dados em formato de bloco são capazes de

p

transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis.

(9)

Redes de Comunicação:

Classificação

Quanto ao tipo de rede de equipamento e os dados que ela transporta:

ç

p

q p

q

p

Rede Sensorbus – Utilizada principalmente em automação de manufatura com

controle lógico, onde trafega dados no formato de bits

¾

não cobrem grandes distâncias.

Rede Devicebus - Utilizada principalmente em automação de manufatura com

controle lógico onde trafega dados no formato de bytes

controle lógico, onde trafega dados no formato de bytes

¾

distâncias de até 500 m

Rede Fieldbus - Utilizada principalmente em automação de processos com

p

ç

p

controle complexo, onde trafega dados no formato de pacotes de mensagens

¾ A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais equipamentos de I/O mais

inteligentes e pode cobrir distâncias maiores

¾ Os equipamentos acoplados à rede q p p possuem inteligência para

desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID,

17

controle de fluxo de informações e processos.

Fieldbus

Definição

FIELDBUS

é

definido

como

uma

rede

digital,

bidirecional

(de

acesso

compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos

primários de automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de

automação e controle de processos.

Cada dispositivo de campo pode possuir uma "inteligência" (microprocessado), o

que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo tais como:

que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo, tais como:

¾

diagnóstico,

t l

¾

controle e

¾

funções de manutenção,

ibili

i

di

i i

d

(

¾

possibilitar a comunicação entre dispositivos de campo (não apenas entre

o engenheiro e o dispositivo de campo).

Em outras palavras o fieldbus veio para substituir o controle centralizado pelo

Em outras palavras, o fieldbus veio para substituir o controle centralizado pelo

distribuído.

(10)

– Quarto nível

Uma

Uma grande

grande evolução

evolução nas

nas redes

redes de

de

comunicação

comunicação industrial

ç

industrial

Convencional

Field Bus

Fieldbus

Definição

O “FIELDBUS” não representa uma paixão típicas por

t

l

i

d

ã

d

novas

tecnologias

e

sim

a

redução

de

aproximadamente

40%

nos

custos

de

projeto,

instalação operação e manutenção de um sistema de

instalação, operação e manutenção de um sistema de

controle de processos industriais.

(11)

Fieldbus

Definição

O termo "FIELDBUS" se refere a um protocolo de

Definição

p

comunicações

digital,

bidirecional

usado

para

comunicações entre instrumentos de campo e sistemas de

l

f

É i

i

l

controle em processo, manufatura. É intencional, com a

substituição do 4-20 mA analógico, uma oferta de

benefícios inclusive a habilidade para:

benefícios, inclusive a habilidade para:

Migrar o controle ao chão de planta;

Acesso para uma riqueza sem precedente de dados do

campo;

p ;

Custos reduzido de transmissão de dados (telemetria)

Aumento das capacidades de manutenção avançada,

Grande redução de custos de instalação.

ç

Ciclo Econômico

Replace Operação & Manutenção

Engenharia Construção Operação & Manutenção Replace Engenharia, Construção, & Commissionamento/Start-up ow Cash Fl Tempo Analógica fieldbus

(12)

– Quarto nível

Medição precisa

IS Interface I/O card

PV = 392.8mb

Field JB + marshalling

4-20mA

12.83mA 12.86mA 12.87mA PV = 393.1mb

Leakage + noise Conversion error

Conversion error

IS Interface H1 I/O card Field JB + marshalling

Fieldbus

PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb

FIELDBUS

VANTAGENS

Redução

no

custo

de

fiação

instalação

¾

Redução

no

custo

de

fiação,

instalação,

operação e manutenção de plantas industriais;

¾

Informação imediata sobre diagnóstico de falhas

nos equipamentos de campo. Os problemas

q p

p

podem ser detectados antes deles se tornarem

sérios, reduzindo assim o tempo de inatividade

p

da planta;

¾

Distribuição

das

funções

de

controle

nos

¾

Distribuição

das

funções

de

controle

nos

equipamentos de campo - instrumentos de

medição e elementos de controle final Serão

medição e elementos de controle final. Serão

dispensados os equipamentos dedicados para

tarefas de controle

(13)

FIELDBUS

VANTAGENS

¾

Aumento da robustez do sistema, visto que

dados

digitais

são

mais

confiáveis

que

dados

digitais

são

mais

confiáveis

que

analógicos;

¾

Melhoria na precisão do sistema de controle,

visto que conversões D/A e A/D não são mais

necessárias. Consequentemente a eficiência da

q

planta será aperfeiçoada.

Exemplo de uma arquitetura de rede Fielbus, onde podemos observar a estação

de supervisão, uma placa de interface com múltiplos canais, o barramento

linear, terminador do barramento ( BT-302 ), fonte de alimentação (PS-302),

impedância (PSI 302 ) e diversos instrumentos inclusive um CLP com placa de

impedância (PSI-302 ) e diversos instrumentos, inclusive um CLP com placa de

interface para o barramento.

(14)

– Quarto nível

InstalaçãoTipical

InstalaçãoTipical Fieldbus

Fieldbus

Fieldbus control system (DCS) Redundant, isolated Fieldbus isolated Fieldbus power conditioner Sala de Controle

Field wiring hub with spur short-circuit CAMPO Sala de Controle spur short-circuit protection

Safe area

FOUNDATIONFieldbus Devices

(15)

– Quarto nível

Tipos de Redes

Tipos de Redes Fieldbus

Fieldbus

Os tempos de transferência podem ser longos mas a

rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de

dados (discreto analógico parâmetros programas e

dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e

informações do usuário).

Exemplo de redes fieldbus incluem:

HART.

Profibus PA e

Fieldbus Foundation,

29

– Quarto nível

Protocolo HART

O protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer)‚ um sistema que combina o padrão 4 a 20 mA com a comunicação digital É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 4 a 20 mA com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1.200 bits/s e modulação FSK ( Frequency Shift Key ). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente.

As vantagens do protocolo HART são as seguintes:

• Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 mA e para a comunicação digital. Usa o mesmo tipo de cabo usado na instrumentação analógica

• Usa o mesmo tipo de cabo usado na instrumentação analógica. • Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes.

HART t l i FSK difi i f ã di it l d

30

HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 mA

(16)

– Quarto nível

Protocolo HART

A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser

transmitidos pelo 4- 20mA, se desejado, enquanto que as medições

adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento,

calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas na

mesma fiação e ao mesmo tempo. Ao contrário das demais

tecnologias de comunicação digitais “abertas” para instrumentação

de processos, o HART® é compatível com os sistemas existentes.

31

– Quarto nível

Protocolo HART

Alguns equipamentos HART incluem controlador PID em seus algoritmos,

implementando uma solução de controle com boa relação custo-benefício

(17)

– Quarto nível

Protocolo Foundation

Protocolo Foundation Fieldbus

Fieldbus

A Tecnologia Foundation Fieldbus consiste em um protocolo de comunicação

serial digital bidirecional. O fato de ser bidirecional significa que os

equipamentos conectados a rede desempenham papel de emissor e receptor de

dados embora não simultaneamente.

A utilização de dispositivos de campo (transmissores, posicionadores, etc) com

processadores também permite que os mesmos

desempenhem funções de

controle tornando possível implementar controle distribuído. Foundation Fieldbus

é essencialmente uma rede local (LAN) para os dispositivos de campo.

(

) p

p

Comparado a outros sistemas, Foundation™ Fieldbus permite o acesso a muitas

variáveis, não só relativas ao processo, mas também do diagnóstico dos

sensores

e

atuadores

dos

componentes

eletrônicos

degradação

de

sensores

e

atuadores,

dos

componentes

eletrônicos,

degradação

de

performance, entre outras. Além disso, há outras características marcantes.

33

– Quarto nível

Protocolo Foundation

Protocolo Foundation Fieldbus

Fieldbus

C

t í ti

Características

Em redes FF os dados são transmitidos sobre a forma de blocos, os quais

cobrem todas as funções da rede Deste modo são encontrados três tipos

cobrem todas as funções da rede. Deste modo, são encontrados três tipos

diferentes de blocos relacionados abaixo:

Blocos de recurso: contém informações específicas sobre os

dispositivos; Atuam, também, como interface entre I/Os físicos e os blocos

de função;

Blocos de função: utilizados em estratégias de controle.

ç

g

Blocos de transdutor: servem para desacoplar os blocos de função das

tarefas de interface com o sensor de campo.

Existem, ainda, três modalidades de blocos de função: blocos de função básicas, blocos de funções avançadas e blocos de funções flexíveis.

de u ções a a çadas e b ocos de u ções e e s

Através deles, é possível estabelecer diferentes estratégias de controle, como controle realimentado, em cascata, caracterização de sinais, temporização e integração de alarmes avançados, controle de motores e interfaces para sensores nos barramentos.

(18)

Blocos

Blocos de Controle

A estratégia de controle para redes Foundation Fieldbus consiste da seleção dos blocos funcionais e seleção dos blocos funcionais e linkagem dos mesmos, o que pode ser feito facilmente por intermédio de softwares auxiliares.

A linguagem de programação é basicamente gráfica, e não textual, como costuma-se utilizar em outros controladores.

A i i t d di

Assim, equipamentos de diversos fabricantes são programados de forma idêntica.

35

A FAMÍLIA PROFIBUS

(19)

– Quarto nível

A FAMÍLIA PROFIBUS

PROFIBUS é um padrão de FIELDBUS aberto

l

li

õ

t

l

para largas aplicações, entre elas:

• Processos contínuos,

Processos contínuos,

• Manufatura elétrica

.

– Quarto nível

A FAMÍLIA PROFIBUS

Independência dos vendedores e abertura estão

garantidas pelo padrão PROFIBUS EN 50 170

garantidas pelo padrão PROFIBUS EN 50 170.

Com o

PROFIBUS

, dispositivos de diferentes

fabricantes podem comunicar entre si sem a

necessidade de interface especiais.

PROFIBUS

pode ser usado onde se necessita de

lt

l

id d t

i

ã d d d

t

f

d

alta velocidade transmissão de dados e tarefas de

comunicação complexas e extensas.

(20)

– Quarto nível

A FAMÍLIA PROFIBUS

A

família

de

PROFIBUS

consiste

em

três

versões

A

família

de

PROFIBUS

consiste

em

três

versões

compatíveis.

PROFIBUS-DP

Aperfeiçoado para velocidade alta e montagem barata, esta versão de

PROFIBUS é especialmente

PROFIBUS é especialmente projetada para comunicação entre sistemas de controle de automatização e I/O distribuído ao automatização e I/O distribuído ao nível de dispositivo.

PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir transmissão p

paralela em 24 V - 0 a 20 mA. ou 4 a 20 mA.

A FAMÍLIA PROFIBUS

PROFIBUS-PA

PROFIBUS-PA é especialmente projetado para automatização de processo. Permite conectar sensor

p

e atuadores até mesmo em um barramento comum em áreas intrinsecamente seguras.

PROFIBUS-PA permite comunicação de dados e pode ser usado com tecnologia 2 fios de ã

acordo com o padrão

(21)

A FAMÍLIA PROFIBUS

PROFIBUS-FMS

PROFIBUS-FMSé a solução de propósito geral para comunicação de tarefa ao nível de célula.

de tarefa ao nível de célula.

Serviços de FMS poderosos abrem um amplo alcance de aplicações e pro-vêem grandes flexibilidades.

p g

PROFIBUS-FMS também pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas.