Comparação das Tecnologias de Rede Fieldbus e Profibus PA

Comparac¸˜ao das Tecnologias de Rede Fieldbus e Profibus PA

Laborat´orio de Engenharia de Computac¸˜ao e Automac¸˜ao Departamento de Computac¸˜ao e Automac¸˜ao Universidade Federal do Rio Grande do Norte

mleandro@dca.ufrn.br

Laborat´orio de Engenharia de Computac¸˜ao e Automac¸˜ao Departamento de Computac¸˜ao e Automac¸˜ao Universidade Federal do Rio Grande do Norte

frbc@dca.ufrn.br

Resumo. Este artigo pretende mostrar as caracter´ısticas dos protocolos de re-des para automoc¸˜ao industrial Foundation Fieldbus (www.fieldbus.org) e Profibus PA (www.profibus.com) e fazer uma comparac¸ ˜ao entre elas. As caracter´ısticas que veremos dizem respeito ao hist ´orico de ambas, a sua estru-tura de camadas e modelo b ´asico de operac¸˜ao.

1. A Tecnologia Fieldbus

Nosso estudo de redes de campo comec¸ar´a com a tecnologia Fieldbus da Foundation Fieldbus, comumente chamado “Fieldbus”.

1.1. Hist´orico

A tecnologia Foundation Fieldbus foi desenvolvida pela fundac¸˜ao Fieldbus. Esta fundac¸˜ao foi formada por um grupo de companhias de automac¸˜ao com o objetivo de criar um ´unico, aberto, internacional e interoper´avel padr˜ao Fieldbus.

A Foundation Fieldbus foi desenvolvida com base no trabalho de Comiss˜oes Eletrot´ecnicas Internacionais (IEC - International Electrotechnical Comission) e da So-ciedade Internacional de Controles e Medidas (ISA - International Society for Measure-ment and Control).

Este padr˜ao ´e relativamente novo. Entretanto, esta tecnologia tem sido utilizada em mais de 130 companhias, tendo, portanto, potencial para rivalizar com os padr˜oes mais difundidos.

1.2. Vis˜ao Geral da tecnologia Fieldbus

A miss˜ao do Foundation Fieldbus ´e promover um padr˜ao internacional para a tecnologia Fieldbus. A especificac¸˜ao do Foundation Fieldbus cumpre esta meta, e a participac¸˜ao de mais de 200 ind´ustrias e usu´arios finais garante que o ideal de padr˜ao internacional

seja satisfeito. A tecnologiaFoundation Fieldbus empregao uso de redes de comunicac¸˜ao digital robusta em aplicac¸˜oes industriais. Um grande n´umero de aplicac¸ ˜oes tem sido sat-isfeitas com o uso de implementac¸˜oes que usam esta tecnologia. O espalhamento de dispositivos em um barramento comum ´e um m´etodo de reduc¸˜ao de custos que permite a reduc¸˜ao nos gastos com a fiac¸˜ao e,consequentemente, com os custos de instalac¸˜ao da rede. O barramento utilizado pelo Fieldbus ´e half duplex. Esta tecnologia utiliza comunicac¸˜ao broadcast em seu barramento, assim como no padr˜ao ethernet. Deste modo, cada dispos-itivo conectado ao barramento deve ser capaz de ”escutar” as mensagens colocadas na rede pelos outros dispositivos.

O cabo usado no Fieldbus possui func¸˜ao dupla: fornecer energia el´etrica para to-dos os dispositivos e transmitir dato-dos pela rede. Em raz˜ao disso, o mesmo ´e constitu´ıdo por dois fios, um para cada func¸˜ao. Desde que o Fieldbus tornou-se um sistema aberto, uma gama significativa de sistemas de controle de ind´ustrias tem adotado esta tecnologia e, como suporte para isto, in´umeros dispositivos compat´ıveis com a tecnologia Fieldbus s˜ao produzidos. A grande aceitac¸˜ao deste padr˜ao tem reduzido o uso de sistemas pro-priet´arios.

1.3. Estrutura do Protocolo Foundation Fieldbus

A estrutura do Foundation Fieldbus consiste de trˆes partes: 1. Camada F´ısica

2. Pilha de Comunicac¸˜ao 3. Aplicac¸˜ao do Usu´ario

O modelo OSI (Open System Intercommunication) baseado em camadas ´e usado para modelar estes componentes. A camada f´ısica ´e a camada 1 do modelo OSI. A DLL (Data Link Layer) ´e a camada 2; a FMS (Fieldbus Message Specification) ´e equivalente `a camada 7 OSI; e a pilha de comunicac¸˜ao comprime, em uma ´unica camada Fieldbus, as camadas 2 e 7 do modelo OSI.

O Fieldbus, como podemos ver na figura 1, n˜ao usa as camadas OSI 3, 4, 5 e 6. A camada FAS (Fieldbus Access Sublayer) mapeia a camada FMS para a DLL. Podemos inferir, a partir da figura e dos coment´arios supracitados, que a pilha de comunicac¸˜ao ´e composta pelas camadas DLL, FAS e FMS. A camada de aplicac¸˜ao de usu´ario n˜ao ´e definida pelo modelo OSI. O Foundation Fieldbus especifica esta camada.

Cada camada Fieldbus ´e respons´avel por uma porc¸˜ao da mensagem que ´e trans-mitida pelo Fieldbus.

1.3.1. Camada F´ısica

A camada f´ısica ´e definida por padr˜oes aprovados pela IEC e pela ISA. A camada f´ısica recebe mensagens da pilha de comunicac¸˜ao e as converte em sinais f´ısicos para trans-miss˜oes fieldbus. Esta tarefa de convers˜ao inclui adicionar e remover preˆambulos, marcas de in´ıcio e de fim de quadros utilizando-se para isso caracteres especiais. O preˆambulo ´e usado pelo receptor para sincronizar seu clock interno com os sinais fieldbus que est˜ao chegando.

Figure 1: Modelo em camada do Foundation Fieldbus

Figure 2: Codificac¸ ˜ao de sinal no Foundation Fieldbus

Os sinais fieldbus s˜ao codificados utilizando-se o c´odigo Manchester. O sinal (figura 2) ´e denominado ”serial s´ıncrono” porque a informac¸˜ao de clock est´a associada ao fluxo de dados seriais. O dado ´e combinado com o sinal de clock para criar o sinal fieldbus. A taxa de transmiss˜ao ´e de 31,25 kbit/s.

1.3.2. Pilha de Comunicac¸ ˜ao

Nesta sec¸˜ao descreveremos a operac¸˜ao das camadas DLL, FAS e FMS da pilha de comunicac¸˜ao.

DLL (Data Link Layer): a camada DLL controla as transmiss˜oes de todas as mensagens no fieldbus. O acesso ao barramento ´e controlado por uma agen-dador de barramento centralizado e determin´ıstico denominado LAS (Link Active Scheculer). A transmiss˜ao de dados no fieldbus ocorre de maneira c´ıclica, vale

dizer, dentro de um intervalo pre-definido de tempo (ciclo) os dispositivos ter˜ao um per´ıodo de tempo para transmitir seus dados. Este per´ıodo associado a cada dispositivo repete-se ciclicamente a cada per´ıodo de tempo. Existem dois tipos de dispositivos no fieldbus, os dispositivos b´asicos e os dispositivos Mestres de Barramento (Link Master). Um dispositivo Link Master ´e capaz de se tornar LAS, dispositivos b´asicos n˜ao. Por essa raz˜ao, no caso de existir mais de um dispositivo Link Master no barramento n´os teremos redundˆancia na determinac¸˜ao do LAS, ou seja, mais de um dispositivo est´a apto a se tornar LAS. O LAS mant´em uma lista dos tempos de transmiss˜ao associados aos buffers de dados de cada dispositivo, dados esses que necessitam ser transmitidos ciclicamente. O protocolo, para cada ciclo, mant´em dois ciclos de operac¸˜ao: o de per´ıodo de mensagens agendadas e o de mensagens n˜ao-agendadas. No per´ıodo de mensagens agendadas, quando um dispositivo est´a transmitindo dados no tempo agendado para ele, dizemos que o mesmo est´a publicando seus dados. Para tal, o LAS envia uma mensagem (Com-pel Message) incitando o dispositivo a transmitir seus dados, ou seja, atrav´es desta mensagem o LAS compele o dispositivo informando ao mesmo o tempo agendado para a sua transmiss˜ao. O dispositivo, ent˜ao, responder´a ao LAS publicando seus dados no fieldbus. Todos os dispositivos que est˜ao configurados para ”escutar” o barramento, “escutar˜ao” a mensagem publicada pelo referido dispositivo e at-ualizar˜ao seus buffers. Todos os dispositivos no fieldbus ter˜ao a chance de en-viar mensagens n˜ao-agendados entre transmiss˜oes de mensagens agendadas. Vale dizer, durante um ciclo de transmiss˜ao, o per´ıodo consumido pelas mensagens agendadas n˜ao coincide com o tempo total do ciclo, ou seja, existe um per´ıodo de tempo que ser´a gasto com as mensagens n˜ao-agendadas. O LAS concede uma permiss˜ao para outros dispositivos (escravos) usar o fieldbus atrav´es emiss˜ao da mensagem PT (Pass Token) ao dispositivo. Quando o dispositivo recebe esta men-sagem, o fieldbus permite que o mesmo envie mensagens at´e que a mesma termine ou at´e que o tempo total agendado para o dispositivo se expire.

FAS (Fieldbus Access Sublayer): a camada FAS usa os aspectos de agendamento e n˜ao-agendamento da camada DLL para prover servic¸o `a camada FMS. Os servic¸os fornecidos pela FAS s˜ao descritos pela VCR (Virtual Communication Relation-ships). Existem trˆes tipos distintos de VCR:

1. VCR Cliente/Servidor (Client/Server): usado para mensagens do operador. Este tipo funciona de forma n˜ao-agendada, ´e iniciado pelo usu´ario e utiliza comunicac¸˜ao de um-para-um.Ex.: Gerenciamento de alarme, diagn´ostico remoto, etc.

2. VCR Distribuic¸˜ao de Relat´orio (Report Distribution): usado para notificac¸˜ao de eventos e relat´orios de tendˆencia (Trends Report). Este tipo funciona de forma n˜ao-agendada, ´e iniciado pelo usu´ario e utiliza comunicac¸˜ao de um-para-muitos. Ex.: Enviar alarmes para o console do operador, enviar relat´orios de tendˆencia para hist´oricos, etc.

3. VCR Publisher/Subscriber: usado para publicar dados. Ex.: usado pelos dispositivos para publicac¸˜ao de seus dados de forma c´ıclica.

FMS (Fieldbus Message Specification): os servic¸os da camada FMS permite `a ca-mada de aplicac¸˜ao de usu´ario enviar mensagens paratodos os dispositivos fieldbus que utilizem um grupo padr˜ao de formatos de mensagem. O FMS descreve os

servic¸os de comunicac¸˜ao, os formatos das mensagens e o funcionamento do pro-tocolo necess´ario para construir as mensagens usadas pela camada de aplicac¸˜ao de usu´ario.

Aplicac¸˜ao de Usu´ario: esta camada interage com o usu´ario do servic¸o fieldbus de modo a prover todas as funcionalidades fornecidas por esta tecnologia. Da interac¸˜ao com o usu´ario do servic¸o, a camada de aplicac¸˜ao de usu´ario se comu-nica com as camadas inferiores para prover os servic¸os solicitados, desde que os mesmos estejam previstos na especificac¸˜ao do protocolo.

O Fieldbus Foundation definiu um padr˜ao para a camada de aplicac¸˜ao de usu´ario baseada em blocos, onde estes blocos s˜ao representac¸ ˜oes dos diferentes tipos de func¸˜oes de aplicac¸˜ao. Esta camada se utiliza de trˆes tipos de blocos:+ Bloco de Recursos (Resource Block): descreve as caracter´ısticas dos dispositivos fieldbus, tais como o nome do dispositivo, fabricante e n´umero serial. Existe somente um bloco de recurso por dispositivo.

1. Bloco de Func¸˜ao (Function Block): fornece o funcionamento do sistema de controle. A execuc¸˜ao de cada bloco de func¸˜ao ´e precisamente agendada. Podem existir muitos blocos de func¸˜ao por aplicac¸˜ao de usu´ario.

2. Bloco de Transformac¸˜ao (Tranducer Block): desassocia do bloco de func¸˜ao as func¸˜oes de entrada/sa´ıda local requeridas para leitura de sen-sores e dos comandos sa´ıdos de hardware.

2. A Tecnologia Profibus PA

A seguir veremos a hist´oria e as caracter´ısticas do Profibus PA (Process Automation).

2.1. Hist´oria do Profibus

O Profibus foi desenvolvido como um padr˜ao para redes de campo j´a nos anos 90. Nos anos 80 os institutos de padronizac¸˜ao ISA (www.isa.org) e IEC (www.iec.ch) esta-beleceram padr˜oes para a comunicac¸˜ao de campo. Na d´ecada seguinte disputas pol´ıticas entre os diversos fabricantes provocaram rupturas entre eles e surgiram padr˜oes que comec¸am a divergir entre si. Entre os anos de 1993 e 1995 surgiu o padr˜ao Profibus PA (Process Automation).

2.2. Vis˜ao Geral do Protocolo Profibus

O Profibus ´e um protocolo de broadcast em barramento que opera como um sistema multimestre escravo de acordo com a figura 3:

Entre os mestres h´a um revezamento dos mesmos atrav´es de um mecanismo de passagem de ficha de acordo com o esquema Token Ring, onde cada um dos mestres fica respons´avel por realizar o polling de um determinado grupo de dispositivos em um tempo (o tempo de permanˆencia da ficha). A seguir a ficha ser´a passada para o pr´oximo mestre que por sua vez realizar´a o polling de alguns dispositivos escravos. Como podemos ver na figura 3, um escravo pode receber requisic¸˜oes de mais de um mestre.

Existem trˆes vers˜oes do protocolo Profibus:

1. Profibus DP (Descentralized Periphery): otimizado para velocidade e baixo custo. Foi projetado para comunicac¸˜ao entre sistemas de controle de automac¸˜ao e seus

Figure 3: Configurac¸ ˜ao mestre-escravo em rede Profibus

respectivos I/Os a n´ıvel de dispositivo. O Profibus DP pode ser usado para sub-stituir a transmiss˜ao de sinais em 24 V nos sistemas de manufatura automatizada, bem como a transmiss˜ao de 4 a 20 mA ou HART nos casos de automac¸˜ao de processos.

2. Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): est´a juntamente com o DP na camada de comunicac¸˜ao da especificac¸˜ao profibus (veja figura 4). Ele ´e o perfil de comunicac¸˜ao universalmente adotado para o caso de comunicac¸˜oes complexas. A tendˆencia ´e que com o in´ıcio do uso do TCP/IP a n´ıvel de c´elula o FMS ter´a um papel menos significativo.

3. Profibus PA: o PA ´e um perfil de aplicac¸˜ao, definindo os parˆametros e blocos funcionais para dispositivos de automac¸˜ao de processos, como transmissores, v´alvulas e posicionadores. A func¸˜ao destes perfis ´e promover uma comunicac¸˜ao e comportamento do dispositivo independentemente do fabricante. Ele pode ser us-ado em ´areas protegidas pois a energia e os dus-ados s˜ao transmitidos sobre o mesmo cabo de transmiss˜ao.

2.3. Profibus PA

O Profibus PA ´e um perfil de comunicac¸˜ao (aplication profile) do padr˜ao Profibus. Ele ´e preparado para trabalhar nas seguintes ´areas de aplicac¸˜ao:

perfil de aplicac¸˜oes padronizado para automac¸˜ao e controle de processo e inter-cambialidade de dispositivos de campo entre diferentes fabricantes

inserc¸˜ao e remoc¸˜ao de estac¸˜oes (dispositivos) mesmo em ´areas intrinsecamente seguras, sem influenciar outras estac¸˜oes

alimentac¸˜ao dos dispositivos tipo transmissores, executadas via o pr´oprio barra-mento, conforme o padr˜ao IEC 61158-2

possibilidade de uso em ´areas potencialmente explosivas com protec¸˜oes do tipo intr´ınseca ou encapsulada.

O Profibus PA ´e baseado no perfil de comunicac¸˜ao DP e dependendo do campo de aplicac¸˜ao pode utilizar IEC 61158-2, RS-485 ou fibra ´otica podem ser usados como meios

Figure 4: Estrutura do sistema PROFIBUS

f´ısicos de comunicac¸˜ao. No que se refere a comunicac¸˜ao, o uso do Profibus na automac¸˜ao e controle de processos pode levar a uma economia de at´e 40% em planejamento, cabea-mento e manutenc¸˜ao, al´em de aumentar a seguranc¸a e funcionalidade do sistema como um todo.

Al´em de definir o tipo de meio f´ısico e estabelecer o perfil de comunicac¸˜ao usado, o perfil PA tamb´em estabelece definic¸˜oes sobre a aplicac¸˜ao. As especificac¸ ˜oes a respeito da unidade de medida e o significado dos parˆametros do dispositivo s˜ao independentes do fabricante.

O perfil PA suporta a interoperabilidade e intercambialidade de dispositivos de campo PA de diferentes fabricantes, usando o modelo de blocos funcionais. Alguns dos blocos funcionais do perfil PA s˜ao:

Bloco de Entrada Anal´ogica (“Analog Input Block”) - AI: fornece o valor medido pelo sensor, com estado e escala.

Bloco de Sa´ıda Anal´ogica (“Analog Output Block”) - AO: fornece o valor da sa´ıda anal´ogica especificada pelo sistema de controle.

Bloco de Entrada Digital (“Digital Input Block”) - DI: fornece ao sistema de con-trole o valor da entrada digital.

Bloco de Sa´ıda Digital (“Digital Output Block”) - DO: fornece a sa´ıda digital com o valor especificado pelo sistema de controle.

3. Comparac¸˜

ao Foundation Fieldbus e Profibus PA

As ind´ustrias, atualmente, possuem diferentes tecnologias Bus para escolher. Cada uma destas tecnlogias se ajustam mais adequadamente em ´areas de aplicac¸˜ao espec´ıficas. Por

esta raz˜ao, ´e necess´ario compreender o mercado para o qual cada tecnologia foi planejada, de modo a selecionar os melhores aspectos para a aplicac¸˜ao a ser desenvolvida.

Em raz˜ao disso, a melhor maneria de analisar as capacidades de cada tecnolo-gia Bus para uma aplicac¸˜ao espec´ıfica ´e realizar uma pesquisa apropriada para verificar qual tecnologia se adequa melhor `a esta aplicac¸˜ao particular. Por´em, como nem sempre esta pr´atica ´e poss´ıvel, an´alises gerais do desempenho de cada tecnologia em ´areas es-pec´ıficas podem ser utilizadas de modo a averiguar as tecnologias mais apropriadas para cada aplicac¸˜ao. O Fieldbus e o Profibus concorrem diretamente em duas ´areas comuns: ind´ustrias de processo e instrumentac¸˜ao inteligente. Por´em, o Fieldbus ´e mais robusto neste sentido, pois, al´em destas ´areas, tamb´em pode ser encontrado em automac¸˜ao de f´abricas.

Ambas as tecnologias foram introduzidas no mercado no mesmo ano, em 1995 . Entretanto, seus desenvolvedores s˜ao distintos: a Foundation Fieldbus foi desenvolvida pela Fundac¸˜ao Fieldbus (Fieldbus Foundation) e o Profibus pela Siemens. Como men-cionado no texto deste artigo, estas tecnologias foram visionadas para serem criadas em conjunto, dando origem a uma ´unica tecnologia. Por´em, intrigas pol´ıticas dividiram os de-senvolvedores. At´e este momento, as especificac¸ ˜oes da camada f´ısica se encontravam jun-tas, no padr˜ao IEC 1158 para o Fieldbus e IEC 1158-2 para o Profibus. Em consequˆencia da separac¸˜ao, obviamente, os padr˜oes aplic´aveis as camadas superiores de cada tecnolo-gia passaram a ocupar especificac¸ ˜oes distintas. O Fieldbus na ISA SP50 e o Profibus na DIN 19245.

Em relac¸˜ao aos seus aspectos t´ecnicos, as tecnologias possuem poucas semelhanc¸as e bastante diferenc¸as, diferenc¸as estas nem sempre muito significativas. Uma semelhanc¸a marcante entre os dois se refere a taxa de transmiss˜ao de dados utilizada na comunicac¸˜ao, que ´e de 31.25 kbits/s. Al´em disso, temos a utilizac¸˜ao da passagem de token como algoritmo de acesso ao meio. As semelhanc¸as entre ambos terminam por a´ı. J´a no que se refere ao algoritmo de passagem de token, o Fieldbus inova em relac¸˜ao ao Profibus por utilizar um agendamento centralizado e determin´ıstico na transmiss˜ao dos dados, dividindo o ciclo de transmiss˜ao em per´ıodo agendado e n˜ao-agendado. A t´ecnica de comunicac¸˜ao do Fieldbus se baseia em ”Single/Multiple Master”, significando dizer que mais de um master pode ser utilizado. Isto assegura que, no caso de falha do dispos-itivo master respons´avel pela comunicac¸˜ao, outros disposdispos-itivos podem assumir o papel do master, aumentando, portanto, a tolerˆancia a falhas. O Profibus utiliza a comunicac¸˜ao mestre/escravo ou peer-to-peer. Tamb´em um escravo pode ter v´arios mestres, mas isto n˜ao ´e mandat´orio e pode haver muitos masters se revezando no poll dos escravos num esquema de passagem de ficha semelhante ao Token Ring.

No que se refere aos meio f´ısico utilizado pelas tecnologias, o Profibus permite tanto par tranc¸ado quanto fibra ´otica, j´a o Fieldbus s´o admite par tranc¸ado. Neste ponto deve ser salientado, que ambas as tecnologias utilizam o meio f´ısico tanto para trans-miss˜ao de dados como para a alimentac¸˜ao da energia utilizadas pelos dispositivos.

Outra diferenc¸a est´a associada ao n´umero m´aximo de n´os suportados. O Fieldbus admite at´e 240 dispositivos por segmento ou at´e



por sistema. O Fieldbus admite at´e 256 dispositivos por rede.

tecnologias

Fator Profibus Foundation Fieldbus

Desenvolvedor Profibus Fieldbus Foundation

Ano de introduc¸˜ao 1995(PA) 1995

Meio f´ısico Par tranc¸ado ou fibra ´otica Par tranc¸ado, fibra ´otica N´umero de n´os sem repetidores: 32, com: 127 240 por segmento Dist. m´axima t´ıpica sem repetidores: 200m, com: 800m 1900m Sistema Mestre-escravo (Extens˜oes V1) Single/Multi Master

Comunicac¸˜ao Poll C´ıclico (determinado por LAS)

Velocidade 31.25Kbps (PA) 31.25Kbps

Acesso ao meio Token passing Token passing

ASICS disponibilizado Sim Planejado

4. Referˆencias Bibliogr ´

aficas

1. Associac¸˜ao Profibus. Tecnologia Profibus PA. Semin´ario Profibus: 2000. Online em:

www.profibus.com.br. Acesso:04/07/2003.

2. Spalding, Evan. A Fieldbus Interface to a Telemetry Processor. Online

em http://murray.newcastle.edu.au/users/students/1999/

c9518176/index.html. Acesso: 11/07/03.

3. Associac¸˜ao Profibus. Descric¸ ˜ao T´ecnica Profibus. Online em: www.profibus.

com.br. Acesso:04/07/2003.

4. Specification for Foundation Fieldbus System. Online emhttp://iceweb.com.

au/ffeuca/typical_specification/ff_specification.pdf. Acesso:

11/07/2003.

5. An ’Open’ Fieldbus Comparison. Online em http://www.process-controls.com/MTL/FieldbusWallChart.pdf. Acesso: 11/07/2003.