AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL FOUNDATION FIELDBUS

AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

FOUNDATION FIELDBUS

Vanessa da Silva Cruz

DCA-UFRN

Vanessa_eng@yahoo.com.br LECA-DCA-UFRN

Resumo:

Palavras Chaves: Automação Industrial, Fieldbus. Abstract: This article has as objective to give a general vision of the protocols destined to the field bus, also known as Fieldbus.

Keywords: Industrial automation, Fieldbus.

1 INTRODUÇÃO

Com o aparecimento do sistema Fieldbus, muitas empresas ao tomar conhecimento das vantagens no uso desta tecnologia, visualizaram uma oportunidade de implantar um nova planta

ou expandir uma planta antiga, melhorando o desempenho e confiabilidade de seus sistemas. No entanto, muitos dos dispositivos de campo ainda não estão disponíveis com um protocolo fieldbus, além disto em alguns casos, as empresas já tem os dispositivos tradicionais necessários para a automação.

Assim, em ambos os casos as empresas necessitam de uma solução alternativa, com o qual seriam aproveitadas muitas das vantagens desse novo sistema, mas ao mesmo tempo lhes permitiria continuar utilizando os dispositivos que já possuíam ou que teriam que ser adquiridos.

Essa solução que irá permitir que a indústria não perca o investimento feito por elas em sensores e atuadores, e nem deixar de usar essa nova tecnologia chamada fieldbus é realizada pelo ADAM (Advantech Dada Acquisition Modul) .

2 A DEFINIÇÃO INICIAL DO FIELDBUS

A definição tradicional para fieldbus foi, inicialmente, uma rede digital serial multiponto que conecta dispositivos de campo (sensores e atuadores) e de controle (PCs

industriais, PLCs, reguladores, etc). Sua especificação envolve a definição do protocolo, como em toda rede de uso geral.

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

3 ARQUITETURA

ABERTA

O final da década de 70 apresentava um panorama curioso em termos de comunicação de dados em redes de computadores: por um lado, uma perspectiva de crescimento vertiginoso causado pelo investimento e desenvolvimento que estavam sendo obtidos, mas por outro lado uma tendência que poderia acarretar em uma profunda crise no setor: a heterogeneidade de padrões entre os fabricantes, praticamente impossibilitando a interconexão entre sistemas de fabricantes distintos. Então, os fabricantes começaram a perseguir alguns objetivos necessários para a implementação de um sistema aberto.

Os principais objetivos podem ser resumidos em:

• interoperabilidade: capacidade que os sistemas abertos possuem de troca de informações entre eles, mesmo que sejam fornecidos por fabricantes diferentes;

• interconectividade: maneira através da qual se pode conectar computadores de fabricantes distintos;

• portabilidade da aplicação: capacidade de um software de rodar em plataformas diferentes. Para se atingir estes objetivos, a ISSO (International Organization for Standardization) passou a procurar um padrão de arquitetura aberta e baseada em camadas. Foi então definido

o Modelo de Referência para Interconexão de Sistemas Abertos (Reference Model for Open Systems Interconnection - RM OSI).

A utilização de um ambiente de sistema aberto oferece algumas vantagens, como:

• a interconectividade;

• a liberdade de escolha entre soluções de diversos fabricantes;

• o acesso mais rápido a novas tecnologias e a preços mais acessíveis, já que um produto com uma plataforma aberta adapta-se a mais aplicações diferentes e com mais vendas seu custo pode diminuir;

• a redução de investimentos em novas máquinas, já que os sistemas e os softwares de aplicação são portáveis para os vários tipos de máquinas existentes.

4 A HISTÓRIA DO FIELDBUS

Inicialmente, seu objetivo era substituir o cabeamento que ligava cada sensor ou atuador a seu equipamento de controle (Figura 1 e Figura 2) por somente um barramento (Figura 3 e Figura 4) que conectasse todos os sensores, atuadores e equipamentos de controle.

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

Figura 2 – Arquitetura tradicional do PLC

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

Figura 4 – Arquiteturas de fieldbus com controle no PLC e no PC respectivamente

5 AS VANTAGENS DO FIELDBUS

Assim, uma das mais reconhecidas e discutidas vantagens do fieldbus é a redução do cabeamento. No entanto, a experiência tem mostrado que se obtém muitas vantagens a mais com seu uso.

Entre elas, podem ser citadas:

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

• a capacidade de comunicação dos dados em unidades de engenharia, em vez de variáveis proporcionais representativas de uma grandeza. Em vez de se transmitir uma grandeza física proporcional a 4-20 mA, por exemplo, transmitese uma combinação binária com o valor da grandeza. Isto evita que o dispositivo que recebe esta grandeza tenha que convertê-la antes de usá-la, para descobrir quanto ela equivale, poupando sua capacidade de processamento para executar outras funções; •



dispositivos à distância;

• a capacidade de verificação dos dados. São adicionados às variáveis transmitidas, bits

que

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

• a distribuição do controle, explicada mais adiante;

• Entre outros.

6 TIPO DE REDE

Entre as diversas topologias de rede, optou-se por utilizar o barramento, devido aos seguintes aspectos, em comparação com outras topologias;

• Número de cabos reduzido;

• Não há necessidade de decisões de roteamento;

• Não há armazenamento intermediário das mensagens;

• A inserção de estações suplementares à rede é relativamente simples;

• Possibilidade do controle descentralizado. No barramento, o meio físico de transmissão é composto por apenas um segmento de transmissão multiponto. Este é compartilhado entre os dispositivos que estão conectados à rede [1].

7 APLICAÇÕES

NA

AUTOMAÇÃO

Antigamente a comunicação entre equipamentos utilizados na automação de processos era feita principalmente através de placas ou equipamentos específicos que utilizavam protocolos diferentes, pois cada fabricante era o proprietário do protocolo do equipamento que produzia. Desta forma, quando uma fábrica adquiria um equipamento de uma determinada marca, ficava quase que obrigada a expandir sua rede com equipamentos do mesmo fabricante, mesmo que este não produzisse um com as características procuradas ou mais caro que o do seu concorrente. Com base nisso iniciou-se uma discussão sobre a elaboração de uma norma internacional para o fieldbus. Essa iniciativa foi colocada em prática pela ISA – International Society for Measurement and Control e pelo IEC – International Eletrotechnical Committee.

No início as aplicações dessa tecnologia eram voltadas para a área industrial, mas com o novo nicho de mercado que se iniciou na automação predial, comercial e até em veículos, já está sendo utilizada [2].

8 PROPOSTAS

INTERMEDIÁRIAS PARA

UM FIELDBUS

No momento em que a norma iniciou sua discussão, era esperado uma demora até sua definição final, e então surgiram algumas propostas visando usufruir

imediatamente das vantagens de um barramento com comunicação digital sem esperar a especificação final. Basicamente, estas propostas apresentavam uma arquitetura que substituíam as placas de I/O dos PLCs (ou de PCs industriais executando o controle) por uma placa de rede fieldbus, segundo um padrão qualquer (Figura 3). Esta placa dispunha e dispõe até hoje de memórias que armazenam as variáveis de entrada e as de saída. As variáveis de entrada são cópias dos estados das entradas (chaves, botoeiras, sensores de temperatura, tensão, corrente, etc), e que são transmitidas vindas das entradas pelo barramento até a placa.

As variáveis de saída (valores de tensão, dos ângulos de abertura de válvulas, etc) são enviadas pela CPU do PLC (ou do PC industrial) através da placa e enviadas através do barramento para cada saída do processo (motores, válvulas, drivers, etc). Importante notar que para estas arquiteturas, nada muda no programa de controle tradicional. Ele continua sendo executado no PLC ou no PC industrial (portanto, com controle centralizado). Apenas, em vez do programa ler as entradas em cada dispositivo de entrada ou escrever em cada dispositivo de saída, ele irá fazê-los na memória da placa de rede. E a placa de rede fará a interface entre o PLC ou PC industrial, e os I/Os (entradas e saídas). A maior parte dos produtos disponíveis para fieldbus atualmente, usa esta arquitetura.

9 UMA ARQUITETURA MAIS EVOLUÍDA

PARA A NORMA INTERNACIONAL

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

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

No entanto, para que estas partes do programa pudessem ser entendidas por diferentes dispositivos de diferentes fabricantes, e também, redundantes em diferentes dispositivos (para maior confiabilidade que os usuais PLCs e controladores centralizadores do programa de controle), foi necessário também uma padronização das mesmas. Esta padronização está continuamente sendo expandida, mas tem como base, blocos funcionais padronizados anteriormente para as conhecidas arquiteturas de SDCDs (Figura 6).

Figura 6 - Blocos Funcionais distribuídos em diferentes dispositivos do fieldbus

Deste modo, o verdadeiro fieldbus não é mais somente uma rede, mas um sistema

de controle em tempo

real que utiliza uma rede, geralmente

implementada numa topologia em barramento,

e que distribui o controle. Porém, este fieldbus

ainda está engatinhando no mercado.

Como citado anteriormente, os primeiros passos para se chegar a ele, só tinham produzido placas que substituíam as conhecidas placas de I/O para PLC por uma placa que era capaz de interfacear com o PLC e o barramento do fieldbus.

Neste caso, já se aproveitava a capacidade de economia de cabos, mas não a capacidade de se distribuir o controle. Então, como esta capacidade de distribuir o controle precisou ser padronizada, o IEC o está padronizando sob o código IEC 61804. Embora a normalização conforme a IEC 61804 esteja bem evoluída para blocos funcionais usados no controle de processos, outros conjuntos de blocos funcionais estão por vir. Porém, alguns dispositivos no mercado já usufruem as especificações dos primeiros blocos funcionais.

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

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

E além do mais, ainda pode ser usado aonde existam

simples como uma rede on/off (de alarme de presença, por exemplo) ou bem mais complexa. Deste modo, este é o único fieldbus que realmente pode ser aplicado em qualquer área, sem ter seu desempenho comprometido pelo seu protocolo.

Atualmente, a Fieldbus Foundation, união de vários fabricantes da área de controle de processos, implementa os dispositivos e desenvolve softwares para a norma internacional. Porém, as empresas que haviam bancado o desenvolvimento de outros fieldbus tentaram normalizar os seus fieldbus para que pudessem sobreviver após a completa normalização internacional. Nesta corrida, como não foram bem sucedidos no IEC, que já propunha algo tecnicamente mais evoluído, alguns deles conseguiram um acordo, mal visto pelos usuários atentos, que junta numa mesma norma européia EN 50170, diferentes e incompatíveis fieldbus: WorldFIP, PROFIBUS-DP, P-Net.

No entanto, atualmente com a esperada finalização da normalização internacional do IEC, os fabricantes do WorldFIP anunciam a esperada aderência à norma IEC 61158. Assim, a França está sendo o primeiro país que já tinha sua própria norma nacional para o fieldbus, a abandoná-la e a assumir a defesa da norma internacional. Este é o caminho que nós, usuários bem informados sobre a tecnologia atualmente disponível, gostaríamos que fosse seguido por aqueles que ainda estão pensando em defender seus investimentos do passado, abusando da desinformação dos usuários, em prejuízo da comunidade de automação.

10 O PROCESSO DE ELABORAÇÃO DE

UMA NORMA INTERNACIONAL DO IEC

O processo de normalização do IEC é demorado e depende da aprovação dos documentos propostos discutidos em várias etapas. Existem dois tipos de países membros no IEC que participam, mais ou menos, da elaboração de uma norma internacional: “P” (participantes) e “O” (observadores).

Os membros participantes possuem comitês que estudam e elaboram os documentos para votação internacional. Os observadores, geralmente sem pessoal especializado no assunto, apenas observam e aceitam as decisões dos países participantes.

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

11 ESTÁGIO DA NORMA INTERNACIONAL

IEC 61158

Cada estágio do processo de normalização foi lenta e custosa. Principalmente nos estágios finais, pois alguns poucos países colocaram-se contrários à proposta internacional.

Esta posição foi adotada desde o momento em que os comitês nacionais de diversos países, após anos de estudo, constataram que os protocolos adotados por estes poucos países não atendiam a todos os requisitos necessários para um eficiente controle de processos e manufatura. Portanto, os comitês optaram por uma especificação mais completa, tornando-a incompatível com cada um de seus produtos já existentes. Tinha sido uma opção drástica, mas inevitável em prol da eficiência da automação. Porém, a partir deste estágio, estes países demonstraram interesse em prorrogar esta aprovação.

Em fins de outubro do ano passado, a norma IEC 61158 já tinha alcançado o estágio de FDIS, e dependia apenas da última aprovação para se tornar IS, marcada para 31 de outubro. Deste modo, a comunidade envolvida com a proposta, estava confiante em sua aprovação final. Pois neste estágio, toda a discussão técnica de uma norma está discutida, aprovada e se destina apenas à aprovação da editoração dos documentos. Não cabia mais nenhuma argumentação técnica, a não ser que a documentação apresentada para votação fosse diferente daquelas aprovadas anteriormente.

Infelizmente, para surpresa dos comitês, alguns comitês que nunca tinham votado antes ou se abstiveram em outras etapas, votaram contra, ultrapassando 1/3 (de todos os membros “P” e “O”) dos votos negativos permitidos. O mais incrível ainda, que obrigados pelas regras do IEC, justificaram seus votos com a mesma argumentação sem fundamentação técnica dada pelos outros. Isto veio a reforçar a idéia de que não tendo conhecimento para argumentar consistentemente, buscaram copiar as justificativas dadas por outros comitês que participaram do processo desde o princípio. Estes, por interesses assumidos como em defesa dos seus clientes “que já compraram nossos equipamentos que não são compatíveis com a norma, e se sentirão prejudicados...”, buscaram qualquer argumento para justificar seus votos contrários.

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

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

12 CONCLUSÃO

Neste trabalho, foi possível se confirmar que, ao se utilizar a tecnologia Fieldbus, há um sensível aumento na confiabilidade dos dados, pois esses passam a ser digitais e assim checados pelo protocolo do sistema, evitando qualquer leitura errada. Outro ponto importante refere-se à manutenção: o sistema é capaz de detectar falhas dos equipamentos, antes que elas provoquem algum erro no processo. Se mesmo assim o erro ocorrer, seu diagnóstico e sua manutenção são muito mais rápidos e fáceis de serem feitos.

Após se observar os módulos de aquisição e atuação remotos na área industrial, pode-se perceber que outro setor a ser beneficiado com esta tecnologia, aproveitando o grande mercado ainda inexplorado no Brasil, é o da automação predial, pois seus pré-requisitos são preenchidos por estes equipamentos.

REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA

[1] Franco, L.R.H.R. Fieldbus: aplicações, vantagens, versões e o estágio atual da norma IEC. Eletricidade Moderna, ANO XXVII, N. 301, abril 1999, p. 364-73. [2] Franco, L.R.H.R. Projeto de Automação de um Automóvel Utilizando Fieldbus, Revista Intech, no prelo. [3] Alvarez, W. PC Industrial x PC Comercial, Biblioteca Interna Módulo Informática Industrial.

[4] Site http:\\www.advantech.com.

[5] Rodrigues, Leonardo Horta. Adaptação da Automação de uma Planta Industrial Tradicional para a Tecnologia Fieldbus. Dez 99.

[6] Franco, Lúcia R.H.R. Uma visão geral sobre Fieldbuses1