ANÁLISE COMPARATIVA DOS PROTOCOLOS FOUNDATION FIELDBUS E
PROFIBUS
Isabele Morais Costa, Stella Neves Duarte Lisboa, Talita Pitanga Santos
DCA447 - Departamento de Engenharia de Computação e Automação - Universidade Federal do Rio Grande do Norte Av. Senador Salgado Filho, Campus Universitário, Natal RN, BRASIL.
E-mails: {isabele, stella, pitanga}@engcomp.ufrn.br
Resumo: Este artigo apresenta uma análise comparativa de
dois dos principais protocolos para redes industriais Fieldbus, destacando seus aspectos mais relevantes, e com isso permitindo identificar as vantagens e desvantagens de cada um.
Abstract: This paper presents a comparative analysis of two of
the main protocols for Fieldbus industrial networks, emphasizing their most relevant aspects, and allowing an identification of their advantages and drawbacks.
1 INTRODUÇÃO
As redes industriais digitais, chamadas de Fieldbus, surgiram com a difusão da tecnologia digital para substituir os sistemas tradicionais de controle de processos baseados no padrão analógico 4-20mA, amplamente empregados em plantas industriais até os dias de hoje.
O Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional que interliga equipamentos inteligentes de campo com sistemas ou equipamentos localizados na sala de controle. O conceito compartilha a idéia da descentralização da inteligência, ou seja, a informação não está apenas armazenada num único membro do processo como, por exemplo, o “PC Manager”, mas distribuída em uma rede desde o chão de fábrica até os níveis mais superiores de gerência.
Com a proliferação de várias soluções, autodenominadas Fieldbus, em geral proprietárias e incompatíveis entre si, apareceu a necessidade de uma padronização na primeira metade da década de 80.
Em 1987, foi apresentado um relatório que, em linhas gerais, definia como objetivos da norma especificar um padrão de comunicação digital e serial entre dispositivos de controle situados em uma área de manufatura ou processo industrial e os sistemas de monitoração do nível mais alto da sala de controle.
Duas áreas principais de aplicação física foram definidas: H1 e H2. Inicialmente, H1 deveria substituir o padrão analógico de 4-20mA nos sistemas de controle de processos de fluidos, mais tarde chamado de automação de processo, e H2 deveria estender H1 para suprir as necessidades da manufatura automatizada. O desenvolvimento natural dos trabalhos direcionou H1 como padrão para o chão de fábrica e H2 para a interligação de diversos barramentos H1 e a sala de controle centralizada. A idéia foi desenvolver um padrão de comunicação com flexibilidade suficiente a ambos os ambientes, embora empregando diferentes velocidades e diferentes meios físicos.
A especificação final para H1 foi publicada em 1996, mas os testes sobre a especificação de H2 foram suspensos em 1998, quando houve mudança nos planos, e foi adotado HSE (High Speed Ethernet) como a rede de interligação de alta velocidade com taxas de 100Mbps.
O padrão Fieldbus possibilita a comunicação entre uma variedade de equipamentos como transmissores, válvulas, controladores, CLP's, leitoras de código de barras, programadores, registradores, e é baseado no modelo OSI (Open System Standards Organization), que consiste de sete níveis. Porém, para aplicação em tempo real, os níveis de 3 a 6 não são utilizados:
Nível 1 (físico): define o tipo de sinal de transmissão, o meio físico, a velocidade de transmissão de dados, etc.
Nível 2 (enlace): define a interface entre o nível físico e o nível de aplicação. Ele estabelece como as mensagens devem ser estruturadas, garante a integridade das mensagens e controla o acesso à rede.
Nível 7 (aplicação): define como os dados e comandos são especificados, endereçamento e representação.
Um oitavo nível está sendo definido, e estabelece a estrutura de mensagens para implementar estratégias de controle. Também chamado de nível do usuário, este nível define variáveis e algoritmos para os blocos funcionais executarem tarefas como leitura de valores analógicos, controle PID, geração de saídas analógicas ou totalização.
Como vantagens da tecnologia Fieldbus podemos citar a redução no custo de fiação, instalação, operação e
Análise comparativa de protocolos Fieldbus / Julho de 2003 manutenção de plantas industriais, bem como o aumento da
confiabilidade do sistema, visto que dados digitais são mais confiáveis que analógicos. Ela também proporciona informações imediatas no diagnóstico de falha, distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo e melhor precisão do sistema de controle, visto que conversões D/A e A/D não seriam mais necessárias.
Alguns impactos são ocasionados pelo Fieldbus, tais como na concepção do projeto - menor custo de engenharia; na instalação - menor custo de instalação, redução de cabos, bandejas, etc, com a atual conexão "ponto-a-ponto" sendo substituída pelas conexões multipontos com diversos equipamentos num mesmo par de fios; na operação - maior quantidade de informações fornecidas pelos equipamentos de campo; na manutenção - maior agilidade nos reparos, indicação de falhas em tempo real.
Ao contrário dos protocolos de rede proprietários, o Fieldbus não pertence a nenhuma empresa, ou é regulado por um único organismo ou nação.
A seguir serão abordados os principais conceitos relativos a dois dos mais difundidos protocolos Fieldbus, começando-se com Foundation Fieldbus seguido do Profibus. Logo após são expostas suas principais vantagens e desvantagens com base em suas características técnicas e áreas de aplicação, permitindo assim que uma comparação seja realizada.
2 CARACTERÍSTICAS DO PROTOCOLO FOUNDATION FIELDBUS
Foundation Fieldbus é um protocolo de comunicação bi-direcional, utilizado para interconectar sistemas de controle e instrumentação de campo. É o único protocolo de Fieldbus digital, desenvolvido para reunir as exigências do SP50 da ISA (International Society of Measurement and Control) e IEC 61158. Este protocolo possui segurança intrínseca, podendo ser utilizado em áreas de risco, processos voláteis, e ambientes de difícil regulação.
Ao contrário de outros protocolos, o Foundation Fieldbus fornece sincronização explícita do controle e comunicação para execução periódica e precisa de funções de controle sem “dead-time”, ou introdução de instabilidade na comunicação. E se diferencia também de qualquer outro protocolo porque pode ser designado para resolver aplicações de controle de processos, em vez de apenas transferir dados no modo digital.
O Fieldbus é uma rede de trabalho local (LAN) para instrumentos usados em processos e automação da mão de obra com capacidade embutida para distribuir o controle de aplicação através da rede de trabalho.
A arquitetura Foundation Fieldbus consiste de três partes:
Base Física
Pilha de Comunicação Aplicação de Usuário
Esta arquitetura baseia-se no modelo de referência OSI, apesar de não existir uma perfeita correspondência entre as camadas de ambos. A camada de aplicação é dividida em duas subcamadas: Subcamada de Acesso ao Fieldbus (FAS – Fieldbus Access Sublayer) e Especificação de Mensagens Fieldbus (FMS – Fieldbus Message Specification).
Acima da camada de aplicação, o Fieldbus padroniza também uma série de serviços na camada de aplicação do usuário.
Cada nível no sistema de comunicação é responsável por uma parte da mensagem que é transmitida no Fieldbus.
A taxa de transmissão adotada pelo Foundation Fieldbus é de 31,25 Kpbs. Esta taxa é suficiente para atender aos sistemas de controle de plantas industriais e, ao mesmo tempo, permite uma boa relação sinal-ruído, mesmo quando o sinal é de baixa potência.
Os sinais Fieldbus são codificados usando a conhecida técnica Manchester Biphase-L. O sinal é chamado série-sincronizado, pois a informação de relógio é embutida no fluxo de dados seriais.
A alimentação de energia para a operação dos instrumentos, bem como a transmissão do sinal de dados podem ser feitos por meio do mesmo par de fios, economizando-se assim cabeamento na planta.
Os instrumentos recebem alimentação de uma fonte DC, cujo nível de tensão pode estabilizar entre 9VDC e 32VDC.
O número de equipamentos conectados a um único barramento é limitado para que a carga total suportada pela fonte não seja demasiada a ponto de atenuar as variações do sinal de tensão.
A configuração típica de uma rede de dispositivos fieldbus H1 é um barramento principal, chamado de trunk, formado por um par trançado com os dispositivos conectados diretamente ou via spurs. O barramento é alimentado por uma fonte de corrente e possui terminadores em suas extremidades para evitar reflexão dos sinais. Normalmente ligado ao barramento, está um equipamento configurador da rede, como um PC, usado também para monitorar e gerenciar todo o sistema.
Vale salientar que o comprimento do trunk e dos spurs é limitado pela norma para assegurar o bom funcionamento da rede mesmo em condições críticas.
3 CARACTERÍSTICAS DO PROTOCOLO PROFIBUS Com a necessidade de padronização da comunicação entre máquinas do processo industrial, surgiu em 1986 uma corrente européia com o propósito de criar meios comuns de troca de informações entre esses equipamentos. Com isso tornou-se possível a comunicação entre os mais diversos dispositivos tais como CNC’s, PLC’s, PC’s e outros, mesmo que de fabricantes diferentes. Por volta de 1990, a maioria dos sistemas industriais já se comunicava com protocolos “standard”, e o Profibus era uma das opções.
Baseado no protocolo SINEC L2 desenvolvido pela Siemens, o Profibus tornou-se uma das plataformas mais abertas do mundo.
A rede Profibus é uma das mais difundidas no mercado, também é a mais utilizada na Europa e está em crescente aceitação pelo resto do mundo. Seu objetivo é atender todas as necessidades de automação industrial, com o melhor desempenho possível, provendo alta velocidade para a transferência de informações, previsão de entrega de mensagens e segurança. Como tipo de serviços ele suporta a entrega de mensagens, com ou sem confirmação, através de
primitivas de serviço, com ou sem conexão. Pode, ainda, distribuir as mensagens de forma multicast ou broadcast (para sub-grupos de dispositivos).
O acesso ao meio físico é realizado por dois métodos, comunicação mestre/escravo e anel lógico de passagem de token entre os mestres. Toda comunicação é inicializada por um mestre, cabendo aos escravos apenas responder às requisições. Portanto o escravo é um elemento passivo, pois o inicio de uma comunicação nunca partirá dele. Como na grande maioria das redes, os escravos não se comunicam entre si, tendo sempre o mestre como o centralizador da rede.
O dispositivo mestre determina a comunicação de dados no barramento. Este pode enviar mensagens interna ou externamente ao barramento, quando este possui o token. Os mestres PROFIBUS são chamados, também, de estações ativas. O escravo PROFIBUS caracteriza-se por ser completamente passivo e oferece uma implementação mais simples, pois requer somente uma pequena porção do barramento, tornando sua implementação, também, econômica. É um dispositivo periférico, tipicamente um dispositivo de entrada e saída, como válvulas, drivers e transmissores. Os escravos não têm acesso direto a qualquer dispositivo da rede. Eles podem apenas responder a uma solicitação (acknowledge) ou enviar mensagens para o mestre, quando requisitado.
Uma rede Profibus utiliza padrões conhecidos no nível físico, permite a conversão para outros tipos de protocolos e introduz novos padrões abertos nas camadas de enlace e aplicação, subdividindo os protocolos conforme o objetivo. Esta rede também promove fácil integração entre os níveis de campo e controle com um protocolo aberto e com muitos recursos de programação do controle de processos.
O Profibus pode ser utilizado nos mais diversos níveis do processo industrial, para isso, uma série de derivações surgiu, sendo que todas aceitam dispositivos do tipo mestre e escravo. Observe abaixo:
Profibus DP (Distributed Periphery): foi a
primeira versão criada. Indicada para o chão de fábrica, onde o volume de informações é grande e há a necessidade de uma alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados num tempo adequado.
Profibus FMS (Field Message Specification): esta
versão é uma evolução do profibus DP e destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram PLC’s). O FMS é tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial, mesmo não sendo uma prática ideal. Profibus PA (Process Automation): esta é a
versão mais moderna do Profibus. Uma característica interessante deste protocolo é que os dados podem trafegar pela mesma linha física da alimentação DC, o que economiza tempo de instalação e cabos. Devido à transmissão intrinsecamente segura, ele se torna uma ótima opção para ambientes onde existe o perigo de explosão caso ocorra uma faísca elétrica devido à atmosfera estar possivelmente carregada com alguma substância explosiva, como por exemplo,
em uma petroquímica. Sua performance é semelhante ao DP.
O Profibus pode trafegar tanto por um meio elétrico como por um meio óptico. No caso do meio elétrico, este precisa obedecer ao padrão RS-485. No caso do meio óptico, a fibra pode ser plástica ou de vidro. As vantagens de se utilizar o meio óptico é que, devido ao seu comprimento de onda, possui uma alta imunidade a ruídos. É comum utilizarmos como protocolo cooperante o padrão Ethernet industrial. Utilizando uma placa “Gate Away” que é encarregada de ser o “tradutor” entre os dois protocolos, é possível que ocorra a integração dos dados do nível de processo (chão de fábrica) com o nível gerencial.
As versões mais modernas do Profibus como o FMS e o PA podem se utilizar do conceito Token Pass para aumentar a capacidade de comunicação e desempenho. Podemos ter desse modo, mais de um “PC Manager” se alternando no cargo de mestre da rede conforme a necessidade do processo.
4 ANÁLISE COMPARATIVA DOS PROTOCOLOS
Para que fosse possível realizar uma comparação efetiva entre os protocolos abordados até aqui, foi feita uma compilação das suas principais características técnicas, agrupadas segundo os mais diversos aspectos. Para facilitar, deste ponto em diante, serão usadas as siglas FF e PB para referir-se aos protocolos Foundation Fieldbus e Profibus, respectivamente.
Quanto ao tipo de rede:
FF – Rede de Controle de Processo; PB – DP: Device Bus;
PA: Rede de Controle de Processo; FMS: Rede de Controle (nível de célula). Quanto à estrutura física:
FF – par trançado, fibra; PB – par trançado, fibra. Quanto à topologia de rede: FF – estrela, barramento; PB – barramento, anel, estrela.
Quanto ao número máximo de equipamentos:
FF – 32 nós/segmentos (16 nós/segmentos em alguns sistemas de Host). A distância máxima entre equipamentos usando segurança intrínseca é 4-6 por segmento repetido dependendo da prioridade dos requerimentos dos equipamentos e do tipo de I.S. (barrier) usado;
PB – DP: 16 estações em um barramento (máximo de 244 bytes de dados de entrada e saída para cada escravo);
PA: 32 nós/ segmentos, 4-6 por segmentos repetidos, dependendo da prioridade dos requerimentos dos equipamentos e do tipo de I.S. (barrier) usado.
Quanto à distância máxima:
FF – 1900 metros. A distância máxima com repetidores é de 9500 metros, ressaltando que se deve usar um máximo de quatro repetidores;
Análise comparativa de protocolos Fieldbus / Julho de 2003 PB – DP: 93,75 Kbps ou menos -> 1200 metros 500 Kbps -> 400 metros 1,5 Mbps -> 200 metros 1,2 Mbps -> 100 metros PA: 1900 metros
A distância máxima com repetidores é de 9,500 metros, ressaltando que deve-se usar um máximo de 9 repetidores. Quanto ao método de comunicação:
FF – Client/server, Publisher/subscriber, Event, ambos scheduled and onscheduled communications;
PB – DP: ponto-a-ponto, multicast ou mestre-escravo cíclico (usando token passing sequence);
PA: Client/server, Publisher/subscriber, Event, ambos scheduled and onscheduled communications;
Quanto ao uso:
FF – usado por equipamentos de controle de processo analógicos e discretos;
PB – DP: usado por PLC discreto e analógico, Variable Speed Drivers, comunicação I/O remota;
PA: usado por equipamentos de controle de processo analógicos e discretos.
Quanto à força e comunicação:
FF – ocorrem no mesmo par trançado e requer uma fonte de alimentação Foundation Fieldbus para proteger as comunicações digitais;
PB – DP: a fonte é alimentada separadamente do barramento de comunicação (pode ser alimentada em um barramento de fontes paralelo);
PA: Requer uma fonte de alimentação PA para proteger as comunicações digitais.
Quanto a dispositivos de fontes de alimentação: FF – podem ser alimentados por barramentos (típico);
PB – DP: os dispositivos são alimentados separadamente dos barramentos de comunicação;
PA: podem ser alimentados pelo barramento (típico). Quanto ao tipo de fiação:
FF – recomenda-se usar cabo do tipo A somente em novas instalações.
Tipo A – Par trançado protegido, #18AWG (0.8mm), 1900m (6232 ft.);
Tipo B – Multi-par trançado com proteção, #22AWG (0.32mm), 1200m (3936 ft.);
Tipo C – Multi-par trançado sem proteção, #26AWG (0.13mm), 400m (1312 ft.);
Tipo D – Multi-core sem par trançado e com alta proteção, #16AWG (1.25mm), 200m (656 ft.);
PB – DP: Par trançado protegido, #22 AWG
;
PA: Par trançado protegido, #18AWG (0.8mm), 1900m (6232 ft.).
Quanto a aspectos de aterramento:
FF – a fiação não é aterrada. Se os fios do barramento forem aterrados ou pequenos, a comunicação para todos os dispositivos é interrompida (é recomendada a proteção para circuitos pequenos).
Quanto à proteção:
FF – os protetores devem ser aterrados somente em um ponto.
Quanto a terminadores:
FF - apenas dois, próximos ao fim de cada barramento. Quanto a instalações em áreas perigosas:
FF – os dispositivos são intrinsecamente seguros. Quanto a dispositivos de endereçamento:
FF – automáticos quando conectados ao segmento; PB – DIP switch ajustáveis ou handheld/software.
Quanto às desvantagens: FF
Exigências de potência limitadas nas aplicações intrinsecamente seguras, estendidas para instalações de FISCO;
A alimentação, o aterramento e as cargas dos segmentos devem ser considerados no projeto dos mesmos;
O treinamento para a resolução de problemas, calibração, etc. pode ser requerido;
Requer aterramento apropriado e isolamento de potência para comunicações de rede livres de erro; PB
O Profibus-DP não suporta instalações intrinsecamente seguras, e seus escravos não são alimentados pela fiação da rede, sendo necessário uma fonte separada;
Nenhum controle nas potencialidades do campo; Requisitos para fiação, alimentação, aterramento e
terminação devem ser adicionados ao projeto e à instalação.
Quanto às vantagens: FF
Excelente suporte para entrada e saídas analógicas; Incorpora dispositivos discretos nos mesmos
segmentos;
Fornece o controle nas potencialidades do campo; Fornece opções de redundância para dispositivos de
alimentação e comunicação;
Disponível para instalações intrinsecamente seguras; largamente suportado por fabricantes de controle de processo;
Comunicações digitais completas para microprocessadores do transmissor; elimina a imprecisão de conversões A/D e D/A de sinais representativos analógicos, tais como 4-20mA;
Elimina a calibração de sinais representativos para melhorar a precisão;
Elimina o ajuste de limites escalares superiores e inferiores no nível do dispositivo;
Os dispositivos contêm a informação diagnosticada e capacidades de alarme;
A interoperabilidade assegura que os vários dispositivos de campo trabalhem com uma variedade de sistemas host, independente do fabricante;
PB
Aceitado extensamente, com 1.100 companhias-membro em todo o mundo;
Suporte à rede nos níveis de dispositivo, de controle do processo, e de Ethernet;
Instrumentação de processos disponível com dispositivos Profibus-PA;
Aplicações em nível gerencial com PROFInet; Instalações intrinsecamente seguras disponíveis para
os instrumentos Profibus-PA;
Gateways permitem a integração do Profibus-PA diretamente às redes Profibus-DP;
Interfaces host disponíveis para a maioria dos PLC, DCS e sistemas computacionais;
Gateways disponíveis para suportar diretamente redes Sensorbus de custo mais baixo, especialmente interfaces ASI;
Mais de 2.000 produtos disponíveis. 8 CONCLUSÃO
A combinação de dispositivos de campo inteligentes, barramentos digitais de rede, e vários protocolos de comunicação abertos produz ótimos resultados em plantas nas mais diversas áreas de aplicação. A seleção apropriada e o posicionamento estratégico de redes Fieldbus provêem resultados e benefícios que as colocam como excelentes escolhas para os mais variados ambientes de controle de processos.
É uma tarefa difícil determinar categoricamente qual o melhor dos protocolos aqui analisados, uma vez que de acordo com as características abordadas na seção anterior, observa-se uma grande semelhança entre os padrões. Porém é notório que o Profibus é mais limitado que o Foundation, talvez devido ao fato de ter sido criado anteriormente, podendo este último ser visto como uma “evolução” do primeiro. Este mesmo fato, entretanto, constitui uma vantagem para o Profibus, já que sendo pioneiro possui uma larga difusão no mercado.
Mas cada um deles possui vantagens e desvantagens, tornando-se, assim, úteis e benéficos dependendo da aplicação desejada.
9 BIBLIOGRAFIA
Krug, Margrit R., Lubaszweski, Marcelo S., Implementação de Auto-Teste Integrado em um Controlador Escravo PROFIBUS, 1995;
Lago, Carlos E. S., Protocolo Profibus
http://www.computersorcerer.com
Página da Associação dos fornecedores de soluções Profibus
http://www.profibus.com
Página da Organização Profibus
http://www.profibus.org
Página da Associação brasileira Profibus
http://www.profibus.com.br
Página da Smar
http://www.smar.com
Página da Fieldbus Foundation
