ETHERNET E FIELDBUS FOUNDATION NO AMBIENTE INDUSTRIAL
Antônio Pereira de Araújo Júnior, Christiano Vasconcelos das Chagas
Raphaela Galhardo Fernandes
DCA-CT-UFRN Natal - RN
Resumo Este artigo mostra um breve comentário sobre a
utilização de redes em aplicações industriais e os três tipos de redes utilizados para essas aplicações. Além disso, descreve sucintamente as redes Ethernet e FieldBus Foundation, onde são abordados seus fundamentos, características , vantagens e desvantagens de suas utilizações.
Palavras Chaves: redes industriais, Ethernet, FieldBus
Foundation.
1 INTRODUÇÃO
A instalação e manutenção de sistemas de controle tradicionais implicam em altos custos, principalmente quando se deseja ampliar uma aplicação onde são requeridos, além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento destes equipamentos até a unidade central de controle. Para diminuir estes custos e otimizar a operacionalidade de uma aplicação foram introduzidas as redes com o objetivo de interligar os equipamentos de uma aplicação.
A utilização das redes em aplicações industriais gerou um significativo avanço nos custos de instalação, nos procedimentos da manutenção dos equipamentos e nas informações de controle e qualidade que podem ser obtidas da aplicação.
O uso de sistemas de controle baseados em redes requer um estudo para se determinar qual o tipo de rede que melhor se adapta à aplicação, tentando obter uma plataforma de aplicação que seja compatível ao maior número de equipamentos possíveis.
É nesse contexto que surge a utilização de arquiteturas de sistemas abertos que possuem a vantagem de o usuário poder encontrar, em mais de um fabricante, a solução de seus problemas. Nas arquiteturas proprietárias, apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede - o que leva o consumidor a ficar confinado e totalmente dependente desse fabricante. Outra grande vantagem das redes abertas é a de possuir organizações de usuários, as quais podem fornecer informações e trocas de experiências a respeito de problemas apresentados nessa rede discutida.
As redes industriais são hierarquizadas em três níveis (conforme ilustrado na Figura 01), onde cada um é responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação.
Figura 01: Distribuição das redes industriais
O nível mais baixo consiste no nível de controle discreto, que são as ligações físicas da rede. É neste nível onde se conectam os instrumentos e se encontram os sensores discretos, contatores e blocos de entrada e saída. O nível intermediário consiste no nível de controle da rede, onde são incorporados os PLC's e PC's. As informações nesse nível trafegam em tempo real, garantindo a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão do processo. O nível mais alto consiste no nível de informação da rede. Esse nível possui um computador central que permite o monitoramento estatístico da planta e seu processamento de produção. As redes são classificadas pelos tipos de dados e de equipamentos que são utilizados (Figura 02). Os dados podem ser bits que transmitem sinais discretos, bytes contendo pacotes de informações discretas ou analógicas, ou redes de dados em formato de blocos que podem apresentar pacotes de diversos tamanhos.
Figura 02: Classificação das Redes
1.1 Redes SensorBus
Este tipo de rede conecta equipamentos simples diretamente à rede, necessitando assim de uma conexão rápida em níveis discretos. Além disso, esta rede não cobre grandes distâncias, pois possui como principal característica manter o custo das conexões baixo. A rede ASI (Actuator Sensor Interface) é
um exemplo típico dessa rede, possuindo sensores e atuadores de baixo custo.
1.2 Redes DeviceBus
Esse tipo de rede atinge distâncias de até 500m e possui mais pontos discretos que as redes SensorBus, além de dados analógicos ou dados mistos (analógicos e discretos). Elas possuem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados que as redes SensorBus, porém conseguem gerenciar melhor e em maior quantidade os dados e os equipamentos. Alguns exemplos de redes DeviceBus são ProfiBus, Interbus-S e DeviceNet. A mais conhecida e utilizada é a Ethernet devido ao seu baixo custo.
1.3 Redes FieldBus
Esse tipo de rede interliga equipamentos de entrada e saída mais inteligentes e cobre distâncias maiores que os dois tipos de redes mencionadas anteriormente. Esses equipamentos inteligentes podem possuir funções de controle inerentes a eles diminuindo o congestionamento da rede e conseqüentemente aumentando a eficiência da aplicação. Essas funções de controle podem ser loops PID, controle de fluxo de informações e de processos. Essas redes devem ser capazes de se comunicar com vários tipos de dados, mesmo que os tempos de transferência de dados sejam longos. As redes mais conhecidas são a ProfiBus - PA, a HART e a FieldBus Foundation.
Neste artigo, serão abordadas as redes Ethernet e FieldBus Foundation, ambas baseadas no modelo OSI (International Standardization Organization). Será feito uma breve comparação entre elas, enfatizando suas aplicações na área industrial. Ele está dividido nas seguintes seções: a primeira seção refere-se às redes Ethernet; a seguinte trata das redes FieldBus Foundation; a terceira descreve uma breve comparação entre as redes citadas; por último seguem as conclusões do artigo e as referências bibliográficas.
2 REDES COM TECNOLOGIA ETHERNET
O padrão Ethernet das redes industriais surgiu com Robert Metcalf e alguns parceiros, nos laboratórios da Xerox. Em 1972, eles construíram a Alto Aloha Network, em que diversos computadores eram conectados. Metcalf, David Boggs, Charles Thacker e Butler Lampson protocolaram um pedido de patente para rede Ethernet em 1975.Esta tecnologia é formada basicamente por um meio físico, por regras de controle de acesso ao meio e pelo quadro Ethernet. Pode apresentar três modos de transmissão:
•Simplex: a transmissão é feita unilateralmente, ou seja, durante todo o tempo, apenas uma estação transmite;
•Half-Duplex: cada estação transmite ou recebe informações, ou seja, não acontece transmissão simultânea;
•Full-Duplex: cada estação transmite e/ou recebe, podendo ocorrer transimssões simultâneas.
2.1 Características Gerais
A Ethernet é um padrão de camada física e de camada de enlace e opera à 10 Mbps, com quadros que possuem tamanho entre 64 e 1518 bytes. O endereçamento é realizado por uma numeração que é única para cada estação com 6 bytes, sendo os 3 primeiros bytes para a identificação do
fabricante e os 3 bytes seguintes para o número seqüencial da placa. Essa numeração também é denominada como endereço MAC (Media Access Control).
A sub-camada MAC controla a transmissão e a recepção, encontra-se na camada 2 da pilha de protocolos OSI, além de atuar diretamente com o meio físico. Portanto, cada tipo de meio físico requer características diferentes da sub-camada MAC.
Uma das características desta sub-camada é o modo de transmissão half-duplex, que pode ser ampliado para o modo full-duplex. Outra, é que os dados são encapsulados e desencapsulados nas camadas superiores. Além disso, são realizadas as transmissões e recepções dos quadros.
2.2 Componentes da Rede Ethernet
Existem vários equipamentos essenciais para se montar uma rede Ethernet. O nó da rede é um dispositivo que gera dados ou os processa de forma inteligente. Os adapdatores de rede correspondem à interface física para a rede Ethernet standard. Já o hub atua como um cabo tronco, com segmentos muitos curtos que conecta cada cabo de nó à rede. Ele repete todo o tráfego vindo da rede para todos os nós. Outros componentes responsáveis pelo gerenciamento do tráfego de dados dentro da rede são o Switch e o Roteador. O Switch atua como um hub, conectando nós para formar uma rede que opera logicamente como uma rede multipontos. Além de repetir dados, também dirige o tráfego na rede. Por fim, o Roteador, que opera de maneira similar a um switch, diferenciando-se por gerenciar o encaminhamento das mensagens, aprendendo a melhor rota que uma mensagem deve seguir para chegar ao seu destino.
2.3 Topologia da Rede Ethernet
Há dois tipos de topologia Ethernet: a topologia em barramento, que utiliza cabos coaxiais fino ou grosso, e a topologia em estrela, que utiliza cabos de par trançado sem blindagem. As principais topologias físicas Ethernet são 10base2 e a 10base5. Ambas as topologias possuem velocidade de 10 Mbps e trafegam em banda básica. A diferença está na parte física, ou seja, no tipo de cabeamento e distância máxima entre as estações.
2.4 Ethernet na Indústria
Para que tecnologias ou padrões sejam aceitos em soluções para redes de automação industrial, é necessário que sejam de alta velocidade, determinísticas e com isolação elétrica para efetuar intertravamento entre estações de Controle. Redes com essas características são chamadas de Control Network (redes de controle com inteligência descentralizada).
A Ethernet, que é a rede mais utilizada no mundo para troca de informações entre PC's, vem se mostrando apta como padrão para redes industriais, já que atende a muitas exigências: pode chegar a 10 Gigabits, com uma performance superior a qualquer outra Control Network; mesmo não sendo, essencialmente, determinística, pode tornar-se com a utilização de Smart Hub’s ou de Switches; pode utilizar como meio físico cabo coaxial, par trançado, rádio ou fibra óptica, resolvendo o problema de isolação elétrica; apresenta um baixo custo dos equipamentos.
Esse tipo de rede possui uma grande vantagem na instalação física da rede quando se utiliza fibra óptica, pois não é necessária a utilização de eletrodutos especiais para passagem do cabo, o que torna a instalação muito menos onerosa.
A Ethernet também se mostra vantajosa quanto à possibilidade de compatibilidade entre equipamentos de diferentes fabricantes. As redes "proprietárias" colocam o cliente final em suas mãos, dificultando muito a substituição do fornecedor. Essa rede pode ser utilizada como Control Network entre diferentes fabricantes de hardware, ou seja, uma estação de supervisão pode "trocar dados" com diferentes CLP's utilizando somente uma placa de rede Ethernet com TCP/IP.
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REDES COM TECNOLOGIA FIELDBUS
FOUNDATION
A FieldBus Foundation (FF) é uma organização dedicada à definição de um padrão FieldBus simples e interoperável. Estabelecida em setembro de 1994, a Foundation é uma corporação sem fins lucrativos que consiste de aproximadamente 120 dos maiores fornecedores e usuários finais de produtos de controle de processo e automação industrial. Trabalhando juntos, estas companhias fornecem suporte para um padrão FieldBus usado mundialmente, e têm feito as maiores contribuições para o desenvolvimento do padrão.
Existem diferenças importantes entre a FF e outras iniciativas FieldBus. A tecnologia Foundation – FieldBus Foundation – é projetada para suportar aplicações críticas onde a própria transferência e manipulação de dados é essencial. Diferente de protocolos de rede proprietários, a FF não é nem possuída por qualquer companhia individualmente, nem controlada por um único país. Em vez disso, é um padrão aberto e interoperável baseado no modelo de comunicação em sete camadas da OSI.
3.1 Características gerais
FF é um sistema de comunicação digital, serial e bidirecional, que funciona como uma rede local (LAN) para instrumentação de plantas/indústrias e equipamentos de controle. O ambiente FieldBus pertence à camada de base das redes digitais na hierarquia de rede para automação industrial.
Nos barramentos de campo, a velocidade normalizada é 31,25 kb/s. As velocidades de 100Mbp/s são utilizadas para a interligação de “bridges” e “gateways”. Além disso, um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade máxima não deve ter entre quaisquer dois equipamentos o comprimento maior que 1.900m.
3.2 Componentes da rede Foundation
A especificação da Foundation é baseada no modelo de comunicação dividido em camadas da OSI, e consiste de três grandes componentes funcionais (Figura 04):
Camada Física
A Camada Física (Figura 03) corresponde à camada OSI 1, que recebe mensagens codificadas das camadas superiores e
converte-as para sinais físicos no meio de transmissão FieldBus e vice-versa.
Figura 03: Camada Física “Pilha” de comunicação
Corresponde às camadas 2 e 7 do modelo OSI (a FieldBus não usa as camadas OSI de 3 a 6). A camada 7, a Camada de Aplicação, codifica e decodifica comandos da Camada de Usuário. A camada 2, a Camada de Enlace de Dados, controla a transmissão de mensagens da FieldBus através da camada 1. A camada 2 também gerencia o acesso ao FieldBus através de um agendador de barramento determinístico centralizado, chamado de Agendador de Enlace Ativo. O agendador é usado para gerenciar transmissões de mensagens determinísticas e autorizar a troca de dados entre dispositivos.
Figura 04: Camadas utilizadas pela FF
A arquitetura FieldBus Foundation fornece controle síncrono robusto, e suporta comunicação assíncrona de dados para uso em diagnóstico, relatório, manutenção e solução de problemas. Assim, tarefas de manutenção podem ser realizadas on-line sem interrompimento das comunicações síncronas.
O recurso de enlace de dados da FF fornece um método de controle de acesso melhorado, bem como serviços para todos os modelos de dados modernos, incluindo cliente/servidor, publicador/assinante e distribuidor de relatórios. O enlace suporta também a criação de redes multi-segmento pela extensão do endereçamento e das ligações com transferência segura de dados.
Adicionalmente, o recurso de enlace de dados fornece uma melhor distribuição do tempo e sincronização através de sistemas multi-segmentos, detecção e configuração on-line de dispositivos, e suporte on-line para revisão e construção do agendamento.
Camada de Usuário
Uma característica única da FF que assegura interoperabilidade de dispositivos é o uso de uma Camada de Usuário, padronizada e completamente especificada, baseada
em “blocos” e tecnologia de descrição de dispositivos. A Camada de Usuário define um Processo de Aplicação de Blocos de Função usando Blocos de Recursos, Blocos de Função, Blocos Transdutores, Gerenciamento de Sistemas, Gerenciamento de Rede e tecnologia de Descrição de Dispositivos.
Blocos de recursos definem parâmetros que são necessários a toda a aplicação (ex.: número serial de fabricação). Blocos de Função encapsulam funções de controle (ex.: controlador PID, entrada analógica, etc) e os Blocos Transdutores representam uma interface para sensores, tais como de temperatura, pressão e fluxo.
Blocos de Função são incorporados dentro de equipamentos FieldBus para conseguir a funcionalidade desejada do dispositivo, bem como definir uma vasta faixa de características e comportamentos que devem trabalhar de maneira padrão para que os dispositivos interoperem.
Cada parâmetro do bloco é representado por descrições de objetos que definem como os parâmetros são comunicados na rede FieldBus. O Processo de Aplicação de Blocos de Função representa um modelo de aplicação muito compreensivo e, em conjunção com o protocolo, fornece a tecnologia que permite que dispositivos de diferentes fabricantes trabalhem em conjunto.
Como especificado pelo Processo de Aplicação de Blocos de Função, um dispositivo FieldBus deve ter um Bloco de Recurso e pelo menos um Bloco de Função com parâmetros de entrada e/ou saída que ligam a outros blocos de função, tanto no mesmo dispositivo como em dispositivos separados pelo meio do barramento. O “objeto de enlace” define a conexão. Cada parâmetro de entrada/saída passado terá um valor e um status. O status de cada parâmetro carrega informação sobre a qualidade de cada valor (bom, incerto ou ruim).
Adicionalmente, o Processo de Aplicação de Blocos de Função especifica o tratamento dos modos de controle, alarmes, eventos, relatórios de direção, etc. Todas estas características devem consentir com a especificação FF para que um dispositivo seja considerável interoperável para a Camada de Usuário.
A distribuição do controle para o dispositivo de campo é possibilitada pela sincronização da execução do bloco de função e da comunicação dos parâmetros do bloco de função no FieldBus. Esta função, com a publicação da hora de todos os dispositivos, troca automática para um publicador redundante de tempo, atribuição automática de endereços dos dispositivos, e procura por nomes de parâmetros ou “etiquetas” sobre FieldBus, são manuseadas pelo Gerenciador de Sistema e pelo Gerenciador de Rede.
A Descrição de Dispositivos (DD) é um outro elemento chave da tecnologia da Camada de Usuário. A DD é usada para descrever parâmetros de blocos padrões e fornecer parâmetros únicos tais que qualquer host possa interoperar com estes parâmetros. Deste maneira, a DD é uma descrição estendida de parâmetros de dispositivos usados pelo host. Fornecedores escrevem DD’s (Figura 05) numa linguagem de programação especial chamada Linguagem de Descrição de Dispositivos (LDD). O código fonte LDD é convertido para um formato binário DD eficiente que serve como um driver para um dispositivo FieldBus. O binário DD fornece todas as informações necessárias para um sistema de controle ou host entender o significado dos dados do dispositivo,
incluindo a interface humana para funções tais como calibração e diagnóstico.
Figura 05: Configuração dos Dispositivos
A FieldBus Foundation fornece DD’s para todos os Blocos padrões. Fornecedores de dispositivos preparam um DD “incremental” que adiciona funcionalidades a um DD já existente de maneira fácil. Os fornecedores de dispositivos também registrarão DD’s comuns com a Foundation. A Foundation então fará estes DD’s registrados disponíveis aos usuários com um processo de assinatura.
Adicionalmente, a FF fornece uma biblioteca padrão de programa chamada Serviços de Descrição de Dispositivos, que podem ler binários DD. Qualquer host com serviços de descrição de dispositivos podem interoperar com um dispositivo Foundation desde que tenha o DD do dispositivo.
4 ETHERNET X FIELDBUS FOUNDATION
Para a comparação entre tecnologias de redes para automação industrial, alguns fatores devem ser levados em consideração, de forma que a solução escolhida se adapte da melhor forma possível às necessidades da aplicação. É importante ressaltar que tecnologias diferentes podem ser utilizadas conjuntamente, aproveitando as melhores características de cada uma. Assim, explanar-se-á as vantagens e desvantagens das redes em discussão.Mesmo tratando-se de uma tecnologia recente, o uso das redes FF no “chão de fábrica” tem aumentado consideravelmente, devido à sua fácil instalação e configuração – um único par de fios é utilizado tanto para a alimentação quanto para a comunicação (transferência de dados). Além disso, uma rede FF tem um diâmetro máximo de aproximadamente 1900m, enquanto a Ethernet não atinge os 500m.
Para o nível de supervisão, a facilidade de aquisição de dados de uma rede FF pode ser mesclada à tecnologia Ethernet. Este fato possibilita a utilização de uma rede de computadores com softwares do tipo SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition), podendo assim monitorar de forma eficiente a aplicação controlada.
Finalmente, no topo da pirâmide, encontra-se a gerência da indústria. Neste nível, o fluxo de dados entre os computadores é bastante elevado A Ethernet apresenta-se como melhor solução, pois sua utilização em redes de PC’s é de baixo custo, baixa manutenção e admite a utilização de uma grande quantidade de protocolos superiores que administram o tráfego de forma otimizada. Sobre a pilha Ethernet, trabalha o CEP (Controle Estatístico do Projeto). Ele é uma ferramenta fundamental para administração dos
custos e definição de metas de aumento de produção e de qualidade do produto final.
5 CONCLUSÃO
A utilização de redes de alta velocidade na indústria é fundamental para o aumento da produção e da qualidade. Além disso, as redes facilitam o monitoramento da planta do processo - detectando e corrigindo mais facilmente defeitos, realizando intertravamento automático em tempo real -, e permitem também um gerenciamento e planejamento eficiente da produção.
A implantação de uma nova tecnologia depende das especificações do processo, e de qual camada será atingida pelas mudanças.
As redes abordadas podem ser utilizadas tanto sozinhas em todas as pontas do processo, como em conjunção, tentando extrair os maiores benefícios de cada uma.
Atualmente, a tendência é pela fusão das diversas tecnologias, possibilitando um melhor aproveitamento do potencial da planta, sem que o custo e o desempenho dela sejam prejudicados.
REFERÊNCIA BIBLIOGRÁFICA
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