DESENVOLVIMENTO DE REDE DE CAMPO REDUNDANTE E CABEÇA DE REDE DE CAMPO REDUNDANTES PARA APLICAÇÕES EM PLATAFORMAS DE PETRÓLEO

DESENVOLVIMENTO DE REDE DE CAMPO REDUNDANTE E CABEÇA DE

REDE DE CAMPO REDUNDANTES PARA APLICAÇÕES EM

PLATAFORMAS DE PETRÓLEO

Antonio Gabriel Rodrigues Arthur Tórgo Gómez

Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS

Av. Unisinos n° 950, Cristo Rei, São Leopoldo, RS, CEP 93022-000 {antonio, breno}@exatas.unisinos.br

Resumo:Neste trabalho é apresentado o modelo conceitual e arquiteturas de uma Rede de Campo Redundante e de um sistema de Cabeças de Rede de Campo Redundantes para plataformas de petróleo. A Rede de Campo Redundante consiste em um sistema de comunicação determinístico entre os dispositivos remotos e o sistema de controle supervisório. O protocolo escolhido para esta aplicação foi o PROFIBUS, que satisfaz requisitos de determinismo e velocidade de transmissão de dados. A Cabeça de Rede de Campo Redundante controla a os dispositivos de entrada e saída da rede de campo e tem características que permitem garantir o funcionamento destes dispositivos em caso de falha na rede. Como resultado são mostradas as arquiteturas de Rede de Campo Barra, Anel, Estrela e Duplo Anel e as arquiteturas de Cabeças de Rede de Campo Mestre-escravos redundantes, Mestre redundante-escravos redundantes e Mestre simples-escravos redundantes.

Palavras-chave: PROFIBUS, rede de campo, cabeças de rede de campo, Rede ótica. 1. INTRODUÇÃO

A Unisinos em parceria com a Universidade Federal do Rio Grande do Sul e a Empresa Altus realizam um projeto de desenvolvimento de uma rede de campo determinística e segura dotada de redundância para atender às necessidades do mercado.

Neste trabalho é mostrada uma aplicação de rede determinística desenvolvida pela Unisinos, onde se utiliza o protocolo PROFIBUS. É descrita a definição conceitual de arquiteturas de Rede de Campo Redundante e de Cabeças de Rede de Campo Redundantes. A rede de campo foi definida para proporcionar maior segurança em caso de falhas, comunicação rápida e determinística entre o sistema de controle e os dispositivos de entrada e saída ligados aos processos da planta. A Cabeça de rede de campo aumenta a segurança no processo de aquisição e escrita de dados nos dispositivos de entrada e saída da rede de campo. Foram criadas arquiteturas para Rede e Cabeças Redundantes tendo em vista uma aplicação em plataformas de petróleo.

No item 2 são apresentados os conceitos de Rede de Campo, Protocolo PROFIBUS e Repetidores óticos. O conceito de Cabeça de Rede de Campo Redundante é apresentado no item 3 e as conclusões no item 4.

2. REDE DE CAMPO

Os controles computacionais de processos e os sistemas computacionais de manufatura integrados requerem que os vários computadores e dispositivos sejam capazes de se comunicar dentro da planta (Groover, 1987). A rede dentro de uma fábrica pode ter uma configuração hierárquica, onde são estabelecidos vários níveis de responsabilidade, alguns subordinados a outros (Groover, 1987; Bedworth, 1991). Estes níveis podem ser os seguintes:

• No Primeiro Nível os computadores estão ligados diretamente ao processo ou dispositivo que controle o processo. Muitas vezes esse tipo de computador integra a própria máquina que realiza o processo;

• Segundo Nível: computadores localizados através da planta que se reportam ao computador central da planta. Esses computadores são chamados de satélites (ou controladores de área), tendo propósito de servir como supervisório, coordenando e controlando as atividades do primeiro nível.

• O Terceiro Nível é o computador central da planta, operando com dados de vários satélites e os sumarizando para preparar relatórios periódicos para o gerenciamento da planta. As informações sobre o status atual da planta podem ser acessadas em tempo real neste nível.

• No Quarto Nível está o mainframe da organização, que trabalha com os dados dos computadores centrais de várias plantas. O propósito deste nível é sumarizar os dados de performance de todas as plantas da corporação.

A rede de campo abordada neste trabalho corresponde aos primeiros níveis hierárquicos de redes de manufatura. Esta rede é responsável pela interligação dos dispositivos que controlam diretamente os processos da planta e os demais sistemas de automação. Neste nível a perda de informações de controle pode comprometer certos processos, por isso a comunicação entre o computador de controle (mestre) e o dispositivo de controle do processo (escravo) tem que ser determinística.

2.1. O Protocolo PROFIBUS

PROFIBUS é um protocolo de rede de campo aberto, definida pela norma européia EN50170 (PROFIBUS International, 1998). O PROFIBUS implementa o tipo de comunicação mestre – escravo, que garante a não ocorrência de colisões ou perdas de pacotes de dados. O PROFIBUS tem três versões diferentes para atender os requisitos de um sistema de controle:

• PROFIBUS DP: é otimizada para conexão rápida entre sistemas de controle de automação e E/S distribuídos.

• PROFIBUS PA: projetada para aplicação em projetos contínuos. Possibilita a conexão de sensores e atuadores em um barramento comum, em áreas intrinsecamente seguras de acordo com o padrão internacional IEC 1158-2.

• PROFIBUS FMS: é uma solução para a comunicação genérica. Os serviços FMS abrangem uma larga faixa de aplicação e proporcionam grande flexibilidade.

Para a criação da rede de campo descrita neste trabalho foi utilizado o protocolo PROFIBUS DP. Nesse protocolo o mestre lê ciclicamente as entradas e escreve nas saídas dos seus escravos. A velocidade do PROFIBUS DP pode chegar a 12 Mbit/s. As principais funções deste protocolo são mostradas na tabela 1.

Tabela 1. Funções básicas do PROFIBUS DP

Funções Descrição

Tecnologia de transmissão

• RS-485, par trançado, fibra ótica • Taxas ded 9,6 Kbit/s a 12Mbit/s

Acesso à rede • Processo de passagem de “token” entre mestres e processo mestre-escravos para escravos;

• Sistemas podem ser “mono-master” o “multi-master”; • Número máximo de estações é 126;

Comunicação • “Peer-to-peer” (transmissão de dados do usuário); • Multicast (comandos do controle);

Sincronização • Comandos permitem a sincronização entre entradas e saídas (sync e freeze);

Funcionalidade • Comunicação cíclica entre escravos;

• Ativação e desativação dinâmica de escravos, individualmente;

• Verificação da configuração dos escravos; • Funções de diagnóstico;

• Troca de endereço dinâmico entre escravos; • Configuração do mestre pela rede;

• Até 246 bytes de entrada e saída para cada escravo; Funções de segurança e

Proteção

• Todas as mensagens são transmitidas com o código “Hamming” distância HD = 4;

• Cão de guarda no escravo;

• Proteção de acesso aos pontos de entrada e saída dos escravos; • Monitoração dos dados através do mestre com tempo

configurável Tipos de Dispositivos • Mestre classe 2 DP

o Programação / configuração;

o Diagnóstico dos dispositivos; • Mestre classe 1 DP

o Controladores programáveis (PCs);

o Escravo DP: dispositivo co saídas/entradas, acionadores, válvulas etc binárias ou analógicas; A configuração básica da rede PROFIBUS DP abordada neste trabalho é a seguinte:

• Um Mestre PROFIBUS DP, que é composto por uma Unidade Central de Processamento (UCP) responsável pela execução de aplicativos de controle e uma ou mais interfaces de rede PROFIBUS, que são responsáveis por transmitir os dados da UCP pela rede;

• Um escravo (ou conjunto de escravos redundantes) PROFIBUS responsável pela leitura das variáveis de controle e escrita dos comandos nos módulos de entrada e saída;

• Módulos de entrada e saída que são conectados diretamente nos dispositivos que controlam os processos da planta.

2.2. Repetidor Ótico PROFIBUS

Repetidores óticos PROFIBUS são capazes de estender a rede de campo, interligando os dispositivos de campo de diversos fabricantes sem modificar suas interfaces. Para este trabalho foram utilizados Repetidores óticos Altus AL-2432.

Figura 1. Repetidor Ótico PROFIBUS Altus AL-2432

O Repetidor ótico possui uma porta elétrica (RS-485) e duas portas óticas, o que permite a construção de uma grande variedade de tipos de topologia. Além de possibilitar a montagem de redes com topologia simples, o Repetidor pode ser utilizado na montagem de redes com topologia complexa ou que exijam redundância de ligações. Alguns tipos de topologia são apresentados a seguir:

Figura 2. Legenda

• Topologia em Barra: esta topologia é simples de ser construída, ligando os Repetidores Óticos PROFIBUS seqüencialmente. Esse tipo de topologia conta com um único caminho por onde trafegam os dados de comunicação entre o mestre e seus escravos. A Figura 3 mostra a arquitetura de uma Topologia em Barra.

Escravo Primário Escravo Reserva

Interface de Rede A Interface de Rede B Escravo sem redundância

Rede ótica Rede elétrica A

Rede elétrica B UCP Mestre PROFIBUS

Módulos de Entrada e saída

Figura 3. Topologia em Barra

• Topologia em Anel Redundante: esta topologia é semelhante à barra, porém é mais robusta pois prevê que, mesmo que uma das ligações entre os Repetidores seja cortada, existe outro caminho pelo qual os dados podem trafegar a fim de alcançar seu destino, seja este um dispositivo mestre ou escravo. Para construir esta topologia, os Repetidores Óticos PROFIBUS são ligados

seqüencialmente, sendo que os Repetidores dos extremos são ligados um ao outro. Na Figura 4 é mostrado o esquema de uma Topologia em Anel.

Figura 4. Topologia em Anel Redundante

• Topologia em Estrela: esta topologia tem por característica centralizar distribuição dos caminhos óticos a partir de um local central. A Figura 5 apresenta o esquema de uma Topologia em Estrela.

• Topologia em Duplo Anel Redundante: trata-se de uma rede em Anel duplicado. Os mestres e escravos PROFIBUS-DP utilizados nesta topologia devem possuir duas interfaces PROFIBUS-DP redundantes, um deles na condição ativa, outro na condição reserva. Cada uma destas interfaces PROFIBUS é ligada a um dos anéis através de Repetidores Óticos com duas portas óticas. Essa rede garante alto nível de segurança de comunicação, pois implementa redundância de rede e da interface de rede de campo.

Figura 6. Topologia em Duplo Anel Redundante 3. CABEÇA DE REDE DE CAMPO

A cabeça de rede de campo é o dispositivo responsável pela coleta de informações dos dispositivos de entrada e saída da rede. Estes dispositivos podem ser termômetros, motores, válvulas entre outros, com entradas e saídas digitais ou analógicas. Estes dispositivos são ligados a módulos de entrada e saída organizados em barramentos, onde cada barramento é controlado por uma cabeça de rede de campo. Visando maior segurança na aquisição de dados dos dispositivos de monitoramento e controle dos processos, foi desenvolvido um sistema de cabeças de rede de campo redundantes, que será descrito no item a seguir.

3.1. Redundância

O Sistema de Redundância consiste em duas cabeças de rede de campo conectadas entre si em um mesmo barramento. Essas cabeças podem estar, cada uma delas, ligadas em uma interface Mestre PROFIBUS. Uma destas cabeças, chamada de Primária, é responsável pela leitura e escrita nos

módulos de Entrada e Saída. A outra cabeça, chamada de Reserva, tem a função de monitoramento. Quando a cabeça Primária apresentar algum problema, a cabeça Reserva assume o comando do barramento, sem nenhum dano à aplicação que está sendo executada. A cabeça de rede de campo redundante foi desenvolvida de acordo com a especificação de redundância PROFIBUS (PROFIBUS Working Group, 2002).

O Sistema de Redundância neste trabalho é constituído de duas Cabeças de Rede de Campo PO5063V4 Altus, possuindo as seguintes características:

• As cabeças redundantes podem ser ligadas individualmente em redes PROFIBUS distintas. Neste caso, os módulos podem ter o mesmo endereço de rede.

• O Sistema de Redundância pode ser implementado com mestres que não possuam as características de redundância. Para isto é necessário que a aplicação na UCP implemente o algoritmo de redundância.

• As informações sobre a redundância são controladas via um módulo virtual que pode ser acessado por qualquer mestre, da mesma maneira que um módulo comum.

• A cabeça Reserva é identificada pela ativação de um LED.

• Pode ser feita uma expansão de nós módulos sem desabilitar a rede PROFIBUS (Hot- expansibility) por meio do Sistema de Redundância.

• Possui um estado de segurança que sustenta as saídas por tempo parametrizável caso o sistema de redundância não tenha comunicação com o mestre.

• Permite troca a quente de qualquer uma das cabeças sem afetar a aplicação.

• Através de comandos do mestre é possível solicitar a troca de estado Primário/Reserva ao sistema redundante.

O sistema de cabeças de rede de campo redundante pode atender a diversos tipos de configurações de rede de campo. A seguir serão mostrados alguns destes tipos de configurações:

• Sistema de Redundância Mestre - escravos redundantes: neste tipo de configuração tem-se o esquema básico de redundância, composto por uma CPU Mestre PROFIBUS ligada a duas interfaces Mestre PROFIBUS. Estas interfaces compõem as redes A e B, cada uma com seus escravos. Nestas redes podem existir módulos não-redundantes, como mostra a Figura 7.

Figura 7. Sistema de Redundância Mestre – escravos redundantes

• Sistema Mestre redundante – escravos redundantes: Nesta configuração existem duas CPUs mestre PROFIBUS, cada qual ligada nas redes A e B. Estes mestres podem estar cada qual controlando seus próprios escravos ou podem estar em Sistema de Redundância de Mestres, ou seja, ambos controlando todos os escravos. A Figura 8 ilustra este sistema.

Figura 8. Sistema de Redundância Mestre redundante – escravos redundantes

• Sistema de Redundância Mestre simples – escravos redundantes: Esta configuração ilustra apenas o sistema de redundância de cabeças de rede de campo, sendo que não existe redundância de Mestre ou rede.

Figura 9. Sistema de Redundância Mestre simples – Escravos redundantes 4. CONCLUSÕES

Neste trabalho foi mostrada a concepção de um sistema de Rede de campo desterminística, o qual é parte de um projeto CTPetro realizado em conjunto com a UFRGS e a Altus. A aplicação proposta neste trabalho é de uma Rede de Campo Redundante e Cabeças de Rede de Campo Redundantes para aplicações em plataformas petrolíferas. Foi definido o Protocolo PROFIBUS para comunicação da Rede de Campo, o que garante determismo e alta taxa de transmissão de dados. Para a montagem das arquiteturas de rede foram utilizados Repetidores Óticos PROFIBUS, com os quais é possível criar vários tipos de topologia. Para a aquisição de dados e controle dos dispositivos de entrada e saída, foi

criado um sistema de Cabeças de Rede de Campo Redundantes, que garante maior robustez da rede contra falhas nos dispositivos escravos.

5. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

Bedworth, D. D., Henderson, M. R., Wolfe, P. M., “Computer Integrated design and Manufacturing”, McGraw-Hill, 1991.

Groover, M., “Automation, Production Systems and Computer Intergated Manufacturing”, Pretice Hall, United States of America, 1987.

Profibus International, “PROFIBUS Specification – Nomrastive Parts of PROFIBUS FMS, DP, PA according to the European Standard EN 50 170”, PROFIBUS Internationa Bussines Office, 1998. PROFIBUS Working Group, “Specification Slave Redundancy”, PROFIBUS Nuterorganisation, 2002 REDUNDANT FIELDBUS AND REDUNDANT FIELDBUS HEAD DEVELOPMENT FOR OIL PLATFORMS APLICATIONS – CTPETRO PROJECT

Authors:

Antonio Gabriel Rodrigues Arthur Tórgo Gómez

Universidade do Vale do Rio dos Sinos – UNISINOS {antonio, breno}@exatas.unisinos.br

Abstract: In this paper is showed the the architecture and conceptual model of a Redundant Fieldbus and Redundant Fieldbus Head for oil platforms applications. The Redundant Fieldbus consists in a deterministic communication system among the remote devices and the supervisory control. The protocol chosen for this application was the PROFIBUS, which fulfills the determinism and data transmission rate. The Redundant Fieldbus Head controls distributed inputs and outputs devices and can grant it’s functionality in fail cases. As results, it was showed the Bus, Ring, Star and Double Ring Fieldbus architectures and the Master-redundant slave, redundant master-redundant slave and simple master-redundant slaves.