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Automação Industrial II

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Academic year: 2021

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Automação Industrial II

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SUMÁRIO

1. Introdução 5

2. Redes Industriais 6

2.1 Sistemas abertos ou proprietários 8

2.2 Topologia de redes 9 2.3 Modelos de redes 10 2.4 Níveis de aplicação 13 3. Protocolos de Comunicação 13 3.1 Profibus 14 3.2 Foudation FieldBus 18 3.3 Hart 23 3.4 ControlNet 28 3.5 DeviceNet 30 3.6 EtherNet/IP 32 3.7 ModBus 35

4. PLC (Controlador Lógico Programável) 36

4.1 Surgimentos do PLC’s 36

4.2 Tecnologia dos PLC’s 37

4.3 Arquitetura básica dos PLC’s 41

4.4 Estrutura interna dos PLC’s 43

4.5 Auto – avaliação de defeitos dos PLC’s 49

4.6 Programação dos PLC’s 50

4.7 Seqüência de programação dos PLC’s 52

4.8 Sistema de controles com PLC’s 56

4.9 Sistemas provisórios utilizando PLC’s 57

5. SPC (Sistema Provisório de Controle) 57

6. SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído) 59

Apêndice I – Controle de Processos 60

Apêndice II – Processos Industriais 68

Apêndice III – Ações de Controle 73

Apêndice IV – Tipos de Controle Automático 86

Exercícios 92

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APRESENTAÇÃO

Apresenta-se aqui, os assuntos a serem abordados na disciplina “AUTOMAÇÃO II” do curso técnico em Eletroeletrônica do Centro de Educação Tecnológica do estado da Bahia – Unidade de Camaçari.

A disciplina vai permitir integrar uma série de conhecimentos na área de automação e controle industrial, aplicados na transferência e controle de dados em redes industriais.

O programa da disciplina inclui os conceitos fundamentais sobre Protocolos de Comunicação, PLC’s (Controladores Lógicos Programáveis), Ações de Controle e Redes Industriais que possuem características

específicas para os requisitos da transmissão e controle de dados em ambientes industriais. Parte-se da fundamentação da aplicação de redes e da sua integração na arquitetura de organização da indústria, aplicada á automação.

A prática laboratorial ocupa um espaço importante na disciplina. Contempla o desenvolvimento de sistemas baseados em PLC’s que irão ser aplicados como nós de sistemas distribuídos interligados por barramentos de campo.

Este trabalho não pretende esgotar o tema, mas sim indicar os caminhos a serem trilhados no desenvolvimento da capacitação para desempenhar atividades relacionadas á automação industrial.

As motivações subjacentes à organização e proposta desta disciplina resultam essencialmente em alguns fatores, cuja ordem é irrelevante:

As potencialidades do mercado de trabalho para os futuros técnicos.

O elevado crescimento atual, existente na investigação e desenvolvimento na área da disciplina e em áreas correlatas.

A competitividade, devido á globalização, o que levam as indústrias e se modernizarem, aumentando sua produtividade, através da automação de seus processos.

Segurança, atendimento as normas ambientais, bem como a qualidade final dos produtos.

No que se refere ao primeiro item destes fatores é de salientar que o mercado de emprego preferencial tem situado ao nível da Indústria como:

Indústria de Processos de 1ª, 2ª e 3ª geração. Ex.: Braskem, Deten Química, Oxiteno, Bombril, etc. Indústria de Transformação Manufatureira. Ex.: Alcoa, Britânia, etc.

Indústria Automobilística e correlata. Ex.: Ford, Fiat, Pirelli, Continental Pneus, etc. Indústria Pesada, em particular as Siderúrgicas. Aço Minas, Samarco, etc.

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necessários para a produção aumentou bruscamente. Este controle sofreu várias mudanças com o passar dos anos, em função da necessidade de maximizar produção, diminuir custos e também aumentar a segurançaoperacionaldosequipamentosepessoasenvolvidasnoprocesso.

Cronologicamente,temos a princípioo controle totalmentemecânico, depoiso pneumático, e emseguidao controleelétrico,comosurgimentodosmotoreselétricosedeseusdispositivosdecontrole.

No final da década de 50, a instrumentação para controle regulatório ainda era predominantemente pneumática.No final da década de 60, Dick Morley e MichelGreenberg inventaram o primeiro controlador programável. Usando tecnologia da época, construíram, a pedido de uma montadora de automóveis, um testadordecontinuidadesnoscabosusadosnoscarros,queposteriormenteseriadesenvolvidoatéchegarao conhecidoProgramLogicController(PLC),queéummicrocomputadorcomopropósitoespecíficodecontrole deprocessos,queatéhojeéaplicadocomsucessonamaioriadasaplicaçõesdecontroleindustrial.

OsPLC’sinicialmenteforamdesenvolvidos,parao controlede sistemascomentradasesaídasbinárias(de doisestadosapenas:ligado-desligado, alto-baixo,etc.);porém,hojetemadquiridomuitasoutrasfunções comaltaconfiabilidade,comoéocasodetratamentodesinaisanalógicos,controle moduladomultivariáveis, controlede posiçãode altaprecisão, etc.OsPLC'snasceramparasubstituirosrelés na implementação de intertravamentosecontroleseqüencialseespecializandonotratamentodevariáveisdigitais.

Jáno início da década de 70, surgiu a necessidade de controladores robustosmais precisos e dedicados, poisoavançoda eletrônicadosdispositivos (instrumentos)possibilitou obterummelhorcontroleregulatório. Nesse estágio da automação, na metade da década de 70, surgiu o primeiro Sistema Digital de Controle Distribuído(SDCD).Comoavançoda eletrônica,asválvulasdecontrolepassaramapossuirposicionadores inteligentes. No início dos anos 80, por exemplo, apareceram os transmissores de pressão que podiam fornecertambém a temperaturada linha,graças àdiminuição cada vezmais daeletrônica. Passou aexistir ummicroprocessadordentrodeumpequenoinstrumentodemedição.

O SDCD, dedicado ao controle analógico, conta com mais microprocessadores para executar funções especiaisdecontrolecomo:Proporcional-Integral-Derivativo(PID),Feedforward,LógicaFuzzy,etc.

No início da década de 90, temos o surgimento dos protocolos digitais de campo. Impulsionados pela expansão da informática com a explosão da internet, formaram-se grupos de pesquisa para desenvolver sistemas de controle industriais que, associados aosjá existentesPLC’s, pudessemotimizar o sistema eo rendimento do controle industrial. Nesta época, também houve o início do desenvolvimento do protocolo

Foundation Fieldbus (FF). A partir daí, os principais fabricantes de PLC’s criaram seus protocolos de comunicação,baseadoemsuamaiorianomeiofísicodosinalelétricoRS-485,devidoaoseulongoalcancee altastaxasdetransferênciadedados.

Comosurgimentodasredesdecomunicação,surgetambémapossibilidadedetornarosperiféricosremotos, ou seja,pôde-se distribuiro controle atravésde umainterfacelocal,próximo doponto de coletadosdados, coletarem umaquantidade maior de dados e transmiti-la pela rede através de um par de fios, ao invésde levá-lostodosaopaineldecontrole.

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2. REDES INDUSTRIAIS

A tecnologia da informação tem sido determinante no desenvolvimento da tecnologia da automação, alterou hierarquias e estruturas no ambiente dos escritórios e chega agora ao ambiente industrial nos seus mais diversos setores, desde as indústrias de processo e manufatura até prédios e sistemas logísticos. A capacidade de comunicação entre dispositivos e o uso de mecanismos padronizados, abertos e transparentes são componentes indispensáveis do conceito de automação de hoje. A comunicação vem se expandindo rapidamente no sentido horizontal nos níveis inferiores (field level), assim como no sentido vertical integrando todos os níveis hierárquicos. De acordo com as características da aplicação e do custo máximo a ser atingido, uma combinação gradual de diferentes sistemas de comunicação, tais como Ethernet, PROFIBUS e AS-Interface, oferece as condições ideais de redes abertas em processos industriais.

No nível de atuadores/sensores o AS-Interface é o sistema de comunicação de dados ideal, pois os sinais binários de dados são transmitidos via um barramento extremamente simples e de baixo custo, juntamente com a energia (24 Vdc) necessários para alimentar estes mesmos sensores e atuadores. Outra característica importante é que os dados são transmitidos ciclicamente, de uma maneira extremamente eficiente e rápida. No nível de campo, a periferia distribuída, tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos (drives), válvulas e painéis de operação, comunicam-se com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS DP ou PA. A transmissão de dados do processo é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, somente quando necessário.

No nível de célula, os controladores programáveis, tais como CLP’s e PC’s comunicam-se uns com os outros, o que requer grandes pacotes de dados e um grande número de funções poderosas de comunicação. Além disto, uma integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet é um requisito absolutamente mandatório, o que o PROFIBUS FMS e o PROFINet podem suprir.

Os sistemas de controle automático têm se apoiado cada vez mais em redes de comunicação industriais, seja pela crescente complexibilidade dos processos industriais, seja pela distribuição geográfica que se tem acentuado nas novas instalações industriais. Assim, praticamente todos os sistemas existentes incluem alguma forma de comunicação de dados, seja local, através de redes industriais, seja remota, implementados em sistemas SCADA - sistema para aquisição, supervisão e controle de processos.

Embora essa disseminação de aplicação de comunicação seja recente, já á algum tempo têm sido desenvolvidos em diferentes topologias para a comunicação de dados em ambientes industriais, buscando sempre estruturas que garantam a segurança na transmissão dos dados, bem como a velocidade de comunicação. Um modelo bastante abrangente para os vários requisitos de comunicação no ambiente industrial são os 3 níveis abaixo relacionados:

Nível de informação - caracterizado por grandes volumes de troca de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de segundos (tempo não crítico). Essencialmente de domínio da informática; Nível de automação e controle - caracterizado por volumes moderados de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de milisegundos. Orientado para integração entre unidades inteligentes, de natureza diversa. Aplicações de característica contínua, de baixa velocidade e alta segurança. Mensagens complexas, com razoável nível de informações de diferentes propósitos;

Nível de dispositivos de campo - caracterizado por volumes menores de dados com constantes de tempo da ordem de grandeza de milisegundos (tempos de resposta muito curtos). Orientada a sensores e atuadores, tipicamente de natureza discreta. Ações executadas no nível dos dispositivos, sem necessidade de interação com níveis superiores.

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Figura2–Níveisdeautomaçãoindustrial.

Dificilmente uma única rede de comunicação local poderá atender todos ostrês níveis,havendo em geral, umaimplementaçãode diferentesredesparaatendercadacaracterísticaespecífica.Deformageral,quando se está analisando o desempenho da rede é usual colocar-se como primeira questão, qual é a taxa de transmissãode bits,para depoisinquirirsobreoprotocolousado, efinalmente, sobreomecanismode troca de dados. Entretanto, o impacto sobreo desempenho de uma rede nesseaspecto é exatamente oposto a essa consideração: o efeito maior sobre o desempenho é dado pelo modelo, seguido pelo protocolo e finalmentepela taxade transmissão.Ou seja,nãoadiantacomunicar a altasvelocidades, cominformações maldispostasouredundantes.

AsredesindustriaispodemserclassificadasemSensorbus,DevicebuseFieldbus.

As redes Devicebus são redes intermediárias entre as redes Sensorbus e Fieldbus. Esta rede tem transferênciarápidadedados,comoemumaredeSensorbus,masconseguegerenciarmaisequipamentose dadosalémdecobrirdistânciasmaiores,graçasaoseumeiofísico.

OprotocoloProfibus–DP,porexemplo,é umaredemestre-escravoponto-a-ponto,cíclicaparaprocessoseacíclicaparagerenciamento.

Arede Fieldbus interligaos equipamentos de entrada/saída (I/O’s) mais inteligentese pode cobrir grandes distâncias. O protocolo FF, que pertence a essa família, tem comunicação cíclica e bidirecional, ou seja, possui tempo pré-determinado para executar as funções e usa o sistema passagem de bastão para se comunicar.

Osdispositivosligadosaessaredepodemdesempenharfunçõesespecíficasde controle,inclusive,assumir ocontroledarede,seconfiguradosparaisso.

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Figura 3 – Classificação das redes e seus respectivos protocolos.

A International Electrotechnical Commission (IEC) é a entidade que normaliza os protocolos digitais existentes atualmente. Existem também protocolos que seguem a IEC, mas não são reconhecidos por ele, como o Device Net, ou o Profibus-PA. Os Protocolos Profibus-DP e o FF são padrões mundiais, com meio físico e software, normalizados e reconhecidos pela IEC.

2.1 Sistema Aberto ou Proprietário

Com a popularização das redes digitais, surgiram novos termos técnicos na automação industrial, e um deles bastante discutido hoje em dia é a questão do sistema ou protocolo aberto.

Uma empresa pode desenvolver seu software, neste caso seu protocolo de comunicação, e se desejar, pode torná-lo aberto, distribuindo seu código e possibilitando que outros fabricantes possam construir equipamentos ou instrumentos que possa se comunicar entre eles, ou melhor, compatíveis com a tecnologia. Houve uma época em que os SDCD’s na sua maioria eram sistemas proprietários, ou seja, se comprasse o SDCD (Invensys) da Foxboro, inevitavelmente deveria adquirir os transmissores, as válvulas e toda a instrumentação ligada a esse SDCD da Foxboro, pois a rede era proprietária e eles só conversavam entre si. Com o maior desenvolvimento dos protocolos, e a abertura ao mercado de alguns dos mais importantes, como o Profibus da SIEMENS, essa tendência se modificou.

Nota-se que essa idéia de tecnologia aberta ou protocolo aberto gera alguns termos inexistentes ou com pouca importância na automação até então, com esse novo tipo de tecnologia, onde todos têm que “conversar” na mesma língua, os equipamentos precisam ser compatíveis.

Um outro termo muito usado atualmente é “interoperabilidade”. Um sistema tem essa característica quando pode receber instrumentos de vários fabricantes e se comunicar com eles, podendo utilizar todos os recursos disponíveis, dessa forma pode surgir a pergunta:

Como um HOST (controlador de um sistema híbrido) pode ser capaz de identificar os instrumentos? Ou ainda:

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Tudo isso, foi resolvido de forma simples, da mesma forma que ao instalarmos uma nova impressora em nosso computador pessoal, necessitamos de um CD-ROM ou disquete de instalação. Na automação contemporânea, temos os Device Description (DD), ou Eletronic Data Sheet (EDS), que são arquivos eletrônicos, disponíveis em sua maioria nos sites dos fabricantes de instrumentos ou no site da fundação reguladora do protocolo.

Com esse pequeno arquivo, o HOST pode utilizar todos os recursos que o fabricante disponibilizou no instrumento, claro, que pode haver certa limitação, que o HOST de um determinado fabricante pode oferecer. Por exemplo: um eventual bloco não executa em determinado HOST. Entretanto, devido ao padrão criado e mantido pela entidade reguladora do protocolo aberto, toda a mudança realizada no dispositivo, este deve seguir a norma do protocolo para poder receber o certificado.

2.2 Topologias das Redes

Existem várias topologias aplicadas ás redes de automação industrial. É possível também efetuar derivações nessas topologias, todavia é preciso ter bastante cuidado, pois ao usar um determinado meio físico, a velocidade de comunicação não será exatamente a mesma alcançada por outro protocolo que use o mesmo meio. As taxas e formas de transmissão são particulares de cada protocolo. A velocidade do sistema é inversamente proporcional à distância e à quantidade de dispositivos conectados a ela.

Figura 4 – Topologias aplicadas ás redes industriais Rede em ESTRELA:

Nó central: comutador ou switch. Não necessitam roteamento.

Desempenho depende da velocidade do nó central. Problemas: confiabilidade, modularidade.

Rede em ANEL:

Uso de repetidores ligados ao meio físico.

Usualmente transmissão unidirecional para simplificar o projeto dos repetidores quando uma mensagem é enviada por um nó, ela entra no anel e circula até ser retirada pelo nó de destino (ou pelo nó que enviou, dependendo do protocolo).

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Figura 5 – Derivações aplicadas ás redes industriais

Note que além das diversas topologias e derivações possíveis de montagem, temos também, nas extremidades da rede principal, os terminadores (TR), que são basicamente resistores casadores de impedância, e que também ajudam à rede a não ser tão sensível a interferências, nem se tornar uma antena. Os terminadores, em sua maioria, são disponíveis nos dispositivos, em sua maioria, trata-se de dip switches que podem ser acionados quando se verificar que aquele dispositivo será o último da rede.

2.3 Modelos de Redes

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Figura 7 – Modelo origem/destino

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Figura 10 – Troca de dados Polling.

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2.4 Níveis de aplicação

Figura 13 – Comparação dos níveis de automação.

Figura 14 – Sugestão de protocolos para cada nível.

3. PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO

Protocolo de comunicação é basicamente um conjunto de regras e convenções que controla o formato e o significado dos quadros, pacotes ou mensagens trocadas pelas entidades pares em um diálogo entre as camadas.

Existem no mercado vários tipos de protocolos de comunicação abertos ou proprietários que são aplicados ao controle de processos industriais. A sua escolha depende de cada tipo de aplicação.

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Emissor Receptor

7 7 Nível aplicativos Interface para programas aplicativos, aplicativos orientados, comandos (leitura, escrita) 6 6 Nível apresentação Representação (codificação) dos dados para análise e interpretação no próximo nível 5 5 Nível manipulação Estabilização e limpeza temporária das estações conectadas, processos de sincronismo da comunicação 4 4 Nível transporte Controle dos dados transmitidos para o nível 5 (erros de transporte, perda de pacotes 3 3 Nível rede Estabilização e limpeza das estações conectadas, para evitar congestionamentos 2 2 Nível ligação Descrição do protocolo de acesso ao barramento (MAC - Medium Acces Control), inclusive segurança de dados 1 1 Nível Físico Definição do meio físico, codificação e velocidade de transmissão de dados

Meio de transmissão

Designação e função dos níveis

Os mais conhecidos são:

Profibus - PA e DP – usado em indústrias de processo e manufatura, em SDCD’s e PLC’s, em CCM’s

inteligentes e em redes de segurança;

FF - Foundation Fieldbus – usado em processos molhados em geral;

HART – usado em indústrias químicas e petroquímicas, açúcar e álcool, papel e celulose; ControlNet – usado em comunicação entre PLC’s e sistemas de I/O’s;

DeviceNet – usado para acionamentos de dispositivos; Interbus – usado em qualquer segmento da indústria;

Ethernet – usado em processos e manufatura ao nível da planta; Modbus – usado em processo e manufatura ao nível de campo;

Safetybus – usado em prensas, células robotizadas, aeroportos e máquinas em geral; LonWorks – usado em automação predial, residencial e transportes;

Rede GENIUS – usado no controle de I/O’s distribuídos e para controle crítico.

Um protocolo é definido através do sistema Open Systems Interconection (OSI) que é a referência de padronização para dispositivos de comunicação, ele define as características, regras e interface de transferências que necessitam serem usadas nos protocolos de comunicação. Este padrão é formado por camadas (layers) de configuração ou de parâmetros que irão definir o tipo de protocolo.

Tabela 1 – Camadas do modelo OSI

Descrevendo os Protocolos

3.1 PROFIBUS

O PROFIBUS é um padrão aberto de rede de comunicação industrial, utilizado em um amplo espectro de aplicações em automação da manufatura, de processos e predial. Sua total independência de fabricantes e sua padronização são garantidas pelas normas EN50170 e EN50254 e IEC61158/61784. Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar-se sem a necessidade de qualquer adaptação na interface.

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O PROFIBUS pode ser usado tanto em aplicações com transmissão de dados em alta velocidade como em tarefas complexas e extensas de comunicação. Foi desenvolvido para troca rápida de dados de campo e da comunicação mestre-escravo.

PROFIBUS - PA – (Application Profile). O uso do PROFIBUS-PA em dispositivos e aplicações típicas de

automação e controle de processos é definido por perfil PA. O perfil pode ser obtido no documento número 3.042 da Associação PROFIBUS. Ele é baseado no perfil de comunicação DP e dependendo do campo de aplicação, os meios de comunicação: IEC 61158-2, RS-485 ou fibra ótica podem ser usadas. O perfil PA define os parâmetros dos dispositivos e o comportamento de dispositivos típicos, tais como: transmissores de variáveis, posicionadores, etc. independente do fabricante, facilitando assim, a intercambiabilidade do dispositivo e a total independência do fabricante. A descrição das funções e do comportamento dos dispositivos está baseada no modelo de Blocos Funcionais (Function Block Model). As definições e opções do perfil de aplicação PA, tornam o PROFIBUS um conveniente substituto para transmissão analógica com 4 a 20 mA ou HART.

PROFIBUS - DP - (Decentralized Periphery). O DP é o perfil mais freqüentemente utilizado. Otimizado

para alta velocidade e conexão de baixo custo, foi projetado especialmente para a comunicação entre sistemas de controle de automação e seus respectivos I/O’s distribuídos a nível de dispositivo. O PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinal em 24 V em sistemas de automação de manufatura assim como para a transmissão de sinais de 4 a 20 mA ou HART em sistemas de automação de processo. O PROFIBUS-DP usa somente as camadas 1 e 2 do modelo OSI, bem como a interface do usuário. As camadas 3 a 7 não são utilizadas. Esta arquitetura simplificada assegura uma transmissão de dados eficiente e rápida. O Direct Data Link Mapper (DDLM) proporciona à interface do usuário acesso fácil à camada 2. As funções de aplicação disponíveis ao usuário, assim como o comportamento dos dispositivos e do sistemas dos vários tipos de dispositivos DP, são especificados na Interface do Usuário.

PROFIBUS - FMS - (Fieldbus Message Specification). O FMS é o perfil de comunicação universal para

tarefas de comunicação complexas. FMS oferece muitas funções sofisticadas de comunicação entre dispositivos inteligentes. No futuro, com o uso do TCP/IP no nível de célula, o FMS terá um papel menos significativo. No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são de especial importância. A camada de aplicação é compostado FMS (Fieldbus Message Specification) e do LLI (Lower Layer Interface). O FMS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados.

3.1.1.1 Perfil Físico (Physical Profile)

A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão disponível. Assim sendo, aos requisitos de uso genérico, tais como alta confiabilidade de transmissão, grandes distâncias a serem cobertas e alta velocidade de transmissão, somam-se as exigências específicas da área automação de processos tais como operação em área classificada, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Partindo-se do princípio de que não é possível atender a todos estes requisitos com um único meio de transmissão, existem atualmente três tipos físicos de comunicação disponíveis no PROFIBUS:

RS-485 para uso universal, em especial em sistemas de automação da manufatura; IEC 61158-2 para aplicações em sistemas de automação em controle de processo;

Fibra Ótica para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade a interferências e grandes distâncias.

Atualmente, estão sendo feitos desenvolvimentos para uso de componentes comerciais de 10 e 100 Mbit/s como camada física para PROFIBUS. Links e acopladores são disponíveis para acoplamento entre os vários meios de transmissão.

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Enquanto o termo Acoplador (Couplers) aplica-se à dispositivos que implementam o protocolo somente no que se refere ao meio físico de transmissão, o termo Link se aplica aos dispositivos inteligentes que oferecem maiores opções na operação entre sub-redes.

3.1.1.1.1 Meio de Transmissão RS-485

O padrão RS 485 é a tecnologia de transmissão mais freqüentemente encontrada no PROFIBUS. Sua aplicação inclui todas as áreas nas quais uma alta taxa de transmissão aliada à uma instalação simples e barata são necessárias. Um par trançado de cobre blindado (shieldado) com um único par condutor é o suficiente neste caso.

A tecnologia de transmissão RS 485 é muito fácil de manusear. O uso de par trançado não requer nenhum conhecimento ou habilidade especial. A topologia por sua vez permite a adição e remoção de estações, bem como uma colocação em funcionamento do tipo passo-a-passo, sem afetar outras estações. Expansões futuras, portanto, podem ser implementadas sem afetar as estações já em operação. Taxas de transmissão entre 9.6 kbit/sec e 12 Mbit/sec podem ser selecionadas, porém uma única taxa de transmissão é selecionada para todos dispositivos no barramento, quando o sistema é inicializado. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico RS-485.

Tabela 2 – Dimensionamento do meio RS-485.

Instruções de instalação para o RS-485

Todos os dispositivos são ligados à uma estrutura de tipo barramento linear. Até 32 estações (mestres ou escravos) podem ser conectados à um único segmento. O barramento é terminado por um terminador ativo do barramento no início e fim de cada segmento. Para assegurar uma operação livre de erros, ambas as terminações do barramento devem estar sempre ativas. Normalmente estes terminadores encontram-se nos próprios conectores de barramento ou nos dispositivos de campo, acessíveis através de uma dip-switch. No caso em que mais que 32 estações necessitem ser conectadas ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores (repeaters) para se interconectar diferentes segmentos do barramento.

O comprimento máximo do cabo depende da velocidade de transmissão. As especificações de comprimento de cabo são baseadas em cabo Tipo-A, com os seguintes parâmetros:

Tabela 3 – Especificações do meio RS-485.

Impedância 135 a 165 Ohms Capacitância < 30 pF/m Resistência < 110 Ohms/km Frequência 3-20 MHz Diâmetro do Fio > 0,64 mm Cabo Tipo A RS-485

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3.1.1.1.2 Meio de Transmissão IEC-61158-2

Transmissão síncrona em conformidade à norma IEC 61158-2, com uma taxa de transmissão definida em 21,25 Kbuts/s, veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Assim, o PROFIBUS pode ser utilizado em áreas classificadas. As opções e limites do PROFIBUS com tecnologia de transmissão IEC61158-2 para uso em áreas potencialmente explosivas são definidos pelo modelo FISCO (Fieldbus Intrinsically Safe Concept). O modelo FISCO foi desenvolvido pelo instituto alemão PTB - Physikalisch Technische Bundesanstalt (Instituto Tecnológico de Física) e é hoje internacionalmente reconhecida como o modelo básico para barramentos em áreas classificada. A transmissão é baseada nos seguintes princípios, e é freqüentemente referida como H1 (rede de baixa velocidade).

Cada segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação; Alimentação não é fornecida ao bus enquanto uma estação está enviando;

Os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em estado de repouso; Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente (sink);

Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos os fins da linha principal do barramento; Topologia linear, árvore e estrela são permitidas.

No caso da modulação, supõe-se que uma corrente básica de pelo menos 10 mA consumida por cada dispositivo no barramento. Através da energização do barramento, esta corrente alimenta os dispositivos de campo. Os sinais de comunicação são então gerados pelo dispositivo que os envia, por modulação de + / - 9 mA, sobre a corrente básica. A tabela abaixo, mostra as características do meio físico IEC-61158-2.

Tabela 4 – Dimensionamento do meio IEC-61158-2.

Instruções de instalação para o IEC-61158

Na sala de controle normalmente estão localizados o sistema de controle de processo, bem como dispositivos de monitoração e operação interconectados através do padrão RS485. No campo, acopladores (couplers) ou links adaptam os sinais do segmento RS485 aos sinais do segmento IEC 61158-2. Eles também fornecem a corrente para alimentação remota dos dispositivos de campo. A fonte de alimentação limita a corrente e tensão no segmento IEC 61158-2.

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Acopladores de segmento, os Couplers, são conversores de sinal que adaptam os sinais RS-485 ao nível do sinal IEC 61158-2. Do ponto de vista do protocolo os acopladores são transparentes. Se acopladores de segmento são utilizados, a velocidade do segmento RS-485 ficará limitada em no máximo 93,75 Kbit/s. Links, por sua vez, possuem sua própria inteligência intrínseca. Eles tornam todos os dispositivos conectados ao segmento IEC 61158-2 em um único dispositivo escravo no segmento RS-485. Neste caso não existe limitação de velocidade no segmento RS-485 o que significa que é possível implementar redes rápidas, por exemplo, para funções de controle, incluindo dispositivos de campo conectados em IEC 61158-2.

3.1.1.1.3 Meio de Transmissão com Fibra Ótica

Fibra ótica pode ser utilizada pelo PROFIBUS para aplicações em ambientes com alta interferência eletromagnética ou mesmo com o objetivo de aumentar o comprimento máximo com taxas de transmissão elevadas. Vários tipos de fibra estão disponíveis, com diferentes características, tais como, distância máxima, preço e aplicação. Para uma rápida descrição, consulte abaixo. Os segmentos PROFIBUS que utilizam fibra normalmente são em estrela ou em anel. Alguns fabricantes de componentes para fibra ótica permitem o uso de links redundantes com meios físicos alternativos, cuja transferência é automática quando ocorre uma falha.

Tabela 5 – Dimensionamento do meio ótico.

3.1.1.2 Perfil de Aplicação (Aplication Profile)

O perfil de Aplicação descreve a interação do protocolo de comunicação com o meio de transmissão que está sendo utilizado, além de definir o comportamento do dispositivo durante a comunicação. O mais importante perfil de aplicação PROFIBUS é, atualmente, o perfil PA, que define os parâmetros e blocos de função para dispositivos de automação de processo, tais como transmissores, válvulas e posicionadores. Existem ainda alguns outros perfis disponíveis, tais como: Acionamentos (Drives), Interface Homem Máquina e Encoders, etc. os quais definem a comunicação e o comportamento destes equipamentos de uma maneira independente do fabricante.

3.2 FOUNDATION FIELDBUS

O (FF) Foundation Fieldbus é uma arquitetura totalmente aberta e formada para a integração das informações numa planta industrial.

É uma rede totalmente digital serial e que possui comunicação bidirecional determinística e cíclica, do tipo passagem de bastão (Token Ring). Esta interliga equipamentos de campo como sensores, atuadores e I/O’s remotas. Esta rede foi desenvolvida em 1990. Em 1993, seu meio físico virou padrão mundial (IEC-61158), e em 2000 foram aprovados pela IEC os níveis de software.

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A limitação da quantidade de dispositivos em um segmento é dada pela corrente drenada por cada tipo de instrumento e pelo tipo de controle que fazemos nela, eventualmente, um dispositivo (instrumento) pode ter fonte própria de alimentação e não drenar corrente do barramento.

O FF permite toda a liberdade para introduzir, o dispositivo (instrumentos da concorrência) que quiser na malha de controle, a partir das necessidades de cada processo.

Na visão da FF, existem basicamente dois níveis de automação de uma planta. Um deles é o H1 (31,25 kbps), uma rede de baixa velocidade concebida para interligação de instrumentos, e o outro, o nível HSE (100 Mbps – High Speed Ethernet), de alta velocidade utilizada para integração das demais redes e para a ligação de dispositivos de alta velocidade como HOST’s, PLC’s e outros sistemas de informação onde a taxa de transferência de dados é muito grande.

Figura 15 – Redes do FF – H1 e HSE.

O nível H1 de uma planta substitui e implementam o antigo modo analógico de controle 4-20 mA em aplicações como:

Integridade do controle em loop; A padronização do meio físico;

Alimentação dos dispositivos/instrumentos por um mesmo par de fios; Opção para segurança intrínseca com melhores benefícios.

O protocolo FF pode proporcionar:

Capacidade de comunicação completamente digital; Redução de fiação e seus acessórios;

Capacidade de comunicação com o nível HSE de forma simples.

O barramento FF é determinístico para variáveis de processo, ou seja, as tarefas são executadas de forma cíclica em tempos pré-definidos e não determinados para parametrização e diagnósticos em geral.

Uma das grandes revoluções da rede FF foi estender a visão da área de processo até o instrumento e não até o último elemento inteligente então existente que era o PLC ou remota do SDCD. Permitiu com isso que a inteligência se estendesse até aos instrumentos de campo.

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3.1.2.1 Compatibilidade ao padrão de software OSI

Ligando o modelo Fieldbus com o OSI, o nível físico é o nível 1 do modelo OSI. O Data Link Layer (DLL) é o OSI 2 e o Fieldbus Message Specification (FMS) é o nível 7 do modelo OSI. Os outros níveis 3, 4 e 5, não são usados pelo Fieldbus.

O nível de usuário (user layer) define o modo para acessar a informação dentro dos dispositivos Fieldbus, de modo que essa informação pode ser distribuída para outros dispositivos ou nós da rede Fieldbus.

3.1.2.2 Camada de aplicação e blocos

A camada de aplicação utiliza o conceito de blocos para realizar todas as suas funções. Existem 3 tipos de blocos básicos: blocos de recursos, blocos de transdutores, utilizados para configurar os dispositivos e blocos de função, utilizados para construir a estratégia de controle.

Resource Block (Bloco de pesquisa) - Descreve as características do dispositivo, como o nome, o

fabricante e o número serial. Há somente um Resource Block num instrumento Fieldbus;

Function Block (Bloco de Função) - Os Blocos de função são os responsáveis pelo sistema de controle.

É a funcionalidade nos instrumentos de campo e sistemas de controle, tais como entradas e saídas analógicas, controle PID, controle lógico, entre outros.

Na Figura 16 mostra um exemplo de uma malha de controle definida usando apenas os blocos de controle contidos em dois dispositivos: um medidor de vazão que fornece o bloco AI e uma válvula que fornece os blocos AO e PID.

Figura 16 – Malha de controle completa, utilizando apenas 2 instrumentos.

3.1.2.3 Relógio em tempo real em todos os dispositivos

O barramento FF pode receber a hora local e ajustá-la nos instrumentos do barramento. O sistema publica esse tempo periodicamente a todos os membros do barramento FF.

3.1.2.4 Comissionamento (Device Address Assignment)

(21)

Para evitar jumpers ou chaves de endereçamento dos instrumentos, o comissionamento do dispositivo é executado via software pelo gerenciador do sistema.

A seqüência de comissionamento de um dispositivo FF é a seguinte:

Um dispositivo não configurado entra na rede em um dos 4 endereços especiais; A ferramenta de configuração comissiona um Tag ao dispositivo físico;

A ferramenta de configuração escolhe e coloca o dispositivo num endereço que não esteja sendo usado, e este será seu endereço permanente na rede;

A seqüência é repetida para cada novo dispositivo;

Caso ocorra uma falha na alimentação do sistema, essa configuração deve ser refeita pelo sistema, pois isso é gravado numa memória não-volátil do HOST, mas o dispositivo perde essas configurações.

3.1.2.5 Comunicação Cíclica entre os dispositivos

O LAS tem uma lista com os tempos de execução e transmissão de todos os dispositivos ligados ao barramento. Com essas informações, o LAS pode determinar os tempos necessários para as comunicações cíclicas.

A comunicação é do tipo pass token (passagem de bastão), ou seja, somente quem está com o bastão pode “falar” (publicar) sua informação no barramento. Todos os outros dispositivos irão escutar, mas somente o que está configurado para recebê-la, irá usá-la.

A comunicação cíclica é tipicamente usada para as comunicações regulares entre os dispositivos do barramento. (ver Figura 11).

3.1.2.6 Comunicação Acíclica entre os dispositivos

Todos os dispositivos Fieldbus tem a oportunidade de enviar mensagens acíclicas. Estas mensagens são responsáveis pela manutenção do barramento, como um exemplo, se é conectado um novo dispositivo ao barramento, ele será identificado pela comunicação acíclica. Requisições do sistema supervisório, informações de um dispositivo, ajuste e diagnóstico são mensagens acíclicas.

3.1.2.7 Nível Física (31.25 kbps)

O nível físico é definido pelo padrão aprovado pela International Eletrotechnical Commission (IEC) e pela The International Society for Measurement and Control (ISA).

O nível físico recebe mensagens da pilha de comunicação e converte em sinais elétricos para o meio de transmissão em vice – versa.

Os dispositivos consomem aproximadamente 10 mA a 31.25 kbps em uma carga de 50 Ω para criar a variação de tensão de aproximadamente 1 Vpp (Tensão Pico a Pico), modulada na tensão de alimentação do dispositivo. A tensão de alimentação do dispositivo pode ser de 9 a 32 VDC. Para aplicações em segurança intrínseca, essa tensão é menor, dependendo da barreira utilizada.

(22)

3.1.2.8 As regras básicas para validação de uma rede FF – H1

A rede é formada por uma linha troco com stubs ou spurs. A linha tronco deve ser terminada por um terminador passivo;

O comprimento máximo da linha tronco e da soma de todos os stubs é de 1900 m;

O número de instrumentos na rede pode ser de 2 a 32 instrumentos numa conexão não intrinsecamente segura com fonte de alimentação separada do sinal de alimentação. De 1 a 12 instrumentos quando a aplicação não requer segurança intrínseca e os instrumentos são alimentados pelo cabo de sinal. De 2 a 6 instrumentos para aplicações de segurança intrínseca quando os instrumentos recebem a sua alimentação diretamente do cabo de comunicação;

Repetidores podem ser utilizados para regenerar o sinal depois de excedida a especificação de distância máxima. O número máximo de repetidores é quatro;

A distância máxima entre dois instrumentos quaisquer não deve exceder 9500 m;

O cabo Fieldbus é polarizado. Inverter a polarização pode causar danos a todos os instrumentos conectados à rede. Alguns fornecedores garantem instrumentos livres de polarização.

3.1.2.9 Integração do sistema FF

Depois de tudo construído, chega o momento em que se deve configurar o sistema, o momento em que se escolhe quem fala primeiro, o que deve ser falado, e pra quem.

Quando uma mensagem é transferida, ela passa por um canal chamado Relacionamento de Comunicação Virtual (VCR) para o dispositivo físico (PD) antes de ir para o fio. Ao chegar ao destino, passa pelo VCR e vai para o receptor. Os pacotes de informações de controle de processos são acrescentados e retirados quando uma mensagem passa por VCR’s e permite que os níveis desempenhem sua funcionalidade específica. Dependendo do tipo de atuador que estiver sendo utilizado, pode-se ajustar a atuação tanto nos blocos PID quanto na saída analógica (AO). Pode existir o risco de inconsistência e de confusão. Assim sendo, vale mais a pena ser consistente e implementar uma estratégia de controle. Por exemplo, uma saída PID de 100% significando que uma válvula está totalmente aberta, independentemente do atuador, ser do tipo ar para abrir ou ar para fechar (tipo de acionamento em válvulas de controle). Isto pode ser feito através da configuração do bloco AO, de modo que a opção I/O seja “incremento para fechar”, no caso de atuadores do tipo ar para fechar.

Como já foi citado, o FF tem vários níveis de alarme, o que possibilita que os intertravamentos sejam adequados ao processo. Por exemplo, para um intertravamento importante de shutdown (situação anormal, emergência), deve haver ação com dados de qualidade RUIM ou INCERTA. A perda de comunicação é sempre indicada como status ruim, que resulta no reinício da malha. O resultado é que para aumentar a segurança do sistema, o status não deve ser exibido apenas para o operador, mas também deve ser incluído na lógica de intertravamento do sistema.

No FF o diagnóstico dos dispositivos é mais eficiente para identificar erros de discrepância externa da lógica. Para uma disponibilidade alta a freqüência entra em conflito com segurança alta. A malha deve ser configurada para operar apenas quando o status for RUIM. Um status INCERTO apenas alertará o operador e, se for considerado adequado, o pessoal da manutenção.

3.1.2.10 Escalonamento

Como acontece em qualquer rede, quanto maior a quantidade de informações transmitidas em um dado espaço de tempo, tanto maior deverá ser a velocidade de operação da rede e de seus sistemas, para que possam acompanhar tais informações (caso do protocolo Profibus-DP). Como o FF - H1 fica limitado a uma taxa de 31,25 kbps, a única maneira de transmitir informações adicionais é aumentar o ciclo de tempo.

(23)

Um link pode transmitir cerca de 30 mensagens escalonadas por segundo. Isto significa que a rede pode ter 3 dispositivos, cada um deles enviando 10 mensagens por segundo, ou 120 dispositivos conectados por repetidores, cada um deles enviando uma mensagem a cada 4 segundos.

Este tempo de transmissão de dados, ou leitura de todos os dispositivos deve ser estimado inicialmente. Uma regra prática a ser adotada nessa fase inicial, relacionada aos requisitos de largura de faixa, é considerar que cada dispositivo precisa de 50 ms para executar o seu bloco de função.

Assim sendo, a largura da faixa total requerida pode ser estimada através da fórmula (1) logo abaixo:

tload = (Np+Nc) x 50 ms (1) Onde;

tload = tempo para executar todos o blocos da função da malha; Np = número de produtores de informação (dispositivos no barramento); Nc = número de comunicações com a IHM.

O tempo não escalonado (acíclico) mínimo deve ser de 70 - 80% no caso de um segmento recém-comissionado. Isto inclui uma folga para crescimento futuro, se necessário for. Por exemplo, supondo-se que o macro ciclo LAS de 1s reserve 150 ms para a transmissão de dados cíclicos, com 70% dos 500 ms disponíveis para comunicações acíclicas, o tempo disponível para utilização futura nesse caso seria de 350 ms.

O tempo de trânsito cíclico pode ser determinado pelo somatório dos tempos de execução individuais dos blocos de função mais o tempo de produção de informação na rede. Neste caso, um bloco de AI é executado em 50 ms, um bloco PID em 150 ms e um bloco de AO em 100 ms.

Pode-se dizer que cada acesso externo pelo canal FF gasta cerca de 25 ms.

O número de dispositivos para os tempos de execução de uma malha com válvulas de controle deve ser o seguinte:

Para malhas que requeiram tempo de execução de 1 s, deve-se limitar o segmento a 8 dispositivos com no máximo 3 válvulas;

Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,5 s, deve-se limitar o segmento com 4 a 8 dispositivos;

Para malhas que requeiram tempo de execução de 0,25 s, deve-se limitar o segmento a menos de 3 dispositivos, com no máximo uma válvula.

Deve-se evitar a mistura de dispositivos com tempos de execução muito diferentes no mesmo segmento (1 s versus 0,25 s). Esta mistura pode levar os escalonamentos, que podem não estar de acordo com a capacidade de alguns links mestres.

3.3 HART

O protocolo de comunicação HART® (Highway Addressable Remote Transducer) é mundialmente reconhecido como um padrão da indústria para comunicação de instrumentos de campo inteligentes 4-20 mA, microprocessados. O uso dessa tecnologia vem crescendo rapidamente e hoje virtualmente todos os maiores fabricantes de instrumentação mundiais oferecem produtos dotados de comunicação HART®.

O protocolo HART® permite a sobreposição do sinal de comunicação digital aos sinais analógicos de 4-20 mA, sem interferência, na mesma fiação. O HART® proporciona alguns dos benefícios apontados pelo fieldbus, mantendo ainda a compatibilidade com a instrumentação analógica e aproveitando o conhecimento já dominado sobre os sistemas 4-20 mA existentes.

(24)

3.1.3.1 Comunicação Analógica + Digital

Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (mA). Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20 mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas e controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo.

Figura 17 – Comunicação digital + sinal analógico simultâneo.

O protocolo de comunicação de campo HART® estende o padrão 4-20 mA ao permitir também a medição de processos de forma mais inteligente que a instrumentação de controle analógica, proporcionando um salto na evolução do controle de processos. As características dos instrumentos podem ser vistas via comunicação digital que são refletidas na denominação do protocolo, HART®.

O Protocolo HART® possibilita a comunicação digital bidirecional em instrumentos de campo inteligentes sem interferir no sinal analógico de 4-20 mA. Tanto o sinal analógico 4-20 mA como o sinal digital de comunicação HART®, podem ser transmitidos simultaneamente na mesma fiação. A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidas pelos 4-20 mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizados na mesma fiação e ao mesmo tempo.

3.1.3.2 A Tecnologia HART®

O Protocolo HART® usa o padrão Bell 202, de chaveamento por deslocamentos de freqüência (FSK) para sobrepor os sinais de comunicação digital ao de 4-20 mA. Por ser o sinal digital FSK simétrico em relação ao zero, não existe nível DC associado ao sinal e, portanto ele não interfere no sinal de 4-20 mA. A lógica “1” é representada por uma freqüência de 1200 hz e a lógica “0” é representada por uma freqüência de 2200 hz, como mostrado nas figuras 1 e 2.

O sinal HART® FSK possibilita a comunicação digital em duas vias, o que torna possível a transmissão e recepção de informações adicionais, além da normal que é a variável de processo em instrumentos de campo inteligentes. O protocolo HART® se propaga há uma taxa de 1200 bits por segundo, sem interromper o sinal 4-20 mA e permite uma aplicação tipo “mestre” possibilitando duas ou mais atualizações por segundo vindas de um único instrumento de campo. O HART sobrepõe o sinal de comunicação digital ao sinal de corrente 4 a 20 mA.

(25)

Figura 18 – Sinal 4-20mA + Hart.

3.1.3.3 Flexibilidade de Aplicação

O HART® é um protocolo do tipo mestre/escravo, o que significa que um instrumento de campo (escravo) somente “responde” quando “perguntado” por um mestre. Dois mestres (primário e secundário) possam se comunicar com um instrumento escravo em uma rede HART®. Os mestres secundários, como os terminais portáteis de configuração, podem ser conectados normalmente em qualquer ponto da rede e se comunicar com os instrumentos de campo sem provocar distúrbios na comunicação com o mestre primário. O mestre primário é tipicamente um SDCD (Sistema Digital de Controle Distribuído), um CLP (Controlador Lógico Programável), um controle central baseado em computador ou um sistema de monitoração.

Figura 19 – Instalação típica com 2 mestres.

O Protocolo HART® pode ser usado de diversas maneiras para trocar informações de/para instrumentos de campo inteligentes à controles centrais ou equipamentos de monitoração. A comunicação mestre/escravo digital, simultânea com o sinal analógico de 4-20 mA é a mais comum. Este modo permite que a informação digital proveniente do instrumento escravo seja atualizada duas vezes por segundo no mestre. O sinal de 4-20 mA é contínuo e carrega a variável primária para controle.

(26)

Figura 20 – Comunicação mestre-escravo – modo normal.

Uma modalidade opcional de comunicação é o “burst”, que permite que um único instrumento escravo publique continuamente uma mensagem de resposta padrão HART®. Esse modo libera o mestre de ficar repetindo um comando de solicitação para atualizar a informação da variável de processo.

Figura 21 – Comunicação escravo-mestre – modo burst.

A mesma mensagem de resposta HART® (PV ou outra) é continuamente publicada pelo escravo até que o mestre instrua o escravo a fazer outra atividade. A taxa de atualização de dados de 3-4 por segundo é típica no modo de comunicação do tipo “burst” e poderá variar de acordo com o comando escolhido. O modo “burst” só pode ser usado quando existe um único instrumento escravo na rede.

O Protocolo HART® também tem a capacidade de conectar múltiplos instrumentos de campo pelo mesmo par de fios em uma configuração de rede “multidrop”. Em aplicações “multidrop”, o sinal de corrente é fixo, ficando somente a comunicação digital limitada ao mestre/escravo. A corrente de cada instrumento escravo é fixada no valor mínimo para alimentação do instrumento (tipicamente 4 mA) e não representa nenhum significado relativo ao processo.

(27)

Figura 22 – Rede Multidrop.

Do ponto de vista da instalação, a mesma fiação usada para os instrumentos analógicos convencionais de 4-20 mA pode carregar os sinais de comunicação digital HART®. Os comprimentos de cabos usados podem variar de acordo com o tipo de cabo e dos instrumentos conectados, mas em geral chegam a 3000 metros para um único par trançado blindado e 1500 metros para múltiplos cabos de par trançado com blindagem comum. Cabos sem blindagem podem ser usados para distâncias curtas. Barreiras de segurança intrínseca e isoladores que permitem a passagem de sinais HART® são disponíveis para uso em áreas classificadas.

3.1.3.4 Comandos do HART

A comunicação HART® é baseada em comandos, como por exemplo, o mestre emite um comando e o escravo responde. Existem três tipos de comando HART® que permitem leitura/escrita de informações em instrumentos de campo. Os comandos universais e os práticos são definidos nas especificações do protocolo HART®. Um terceiro tipo os comandos específicos do instrumento, permitem maior flexibilidade na manipulação de parâmetros ou de funções específicas num determinado tipo de instrumento.

Os comandos universais asseguram a interoperabilidade entre uma larga e crescente base de produtos provenientes de diversos fornecedores e permitem o acesso às informações usuais em operação de plantas, como por exemplo, leitura de variáveis medidas, aumento ou diminuição dos valores de configuração e outras informações como: fabricante, modelo, tag e descrição do processo. Uma regra básica do protocolo HART® é que os instrumentos escravos devem ser compatíveis (interoperáveis) entre si e precisam responder à todos os comandos universais. Esses comandos são poderosos, como por exemplo, o comando universal 3, que permite que até quatro variáveis dinâmicas sejam enviadas em resposta a um único comando solicitado do mestre.

(28)

3.4 ControlNet

É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de supervisão e controle.

Figura 24 – Rede ao nível de controle.

3.1.4.1 Características do ControlNet

Rede para I/O e Controladores – Alta velocidade (5 Mbps); Projetada para Processos contínuos e discretos;

Rede única para programação, mensagens “ponto a ponto”, intertravamento em tempo real e aquisição de I/O;

Baseada no modelo Produtor/Consumidor;

Entradas podem ser compartilhadas por diferentes consumidores; Permite múltiplos controladores na mesma rede;

Flexibilidade para o meio físico;

Topologias barramento, árvore e estrela combinadas; Opção de redundância para o meio físico

Pleno acesso a rede a partir de qualquer dispositivo.

(29)

Figura 26 - Características da ControlNet - conexões.

Figura 27 – Cálculo do segmento ControlNet.

(30)

Figura 29 – ControlNet – IS.

3.5 DeviceNet

DeviceNet é um protocolo de comunicação aberto- ODVA em nível de componente para automação industrial. Uma rede DeviceNet é um sistema de conexão aberto de baixo custo entre os dispositivos industriais, tais como sensores e atuadores, e dispositivos de nível superior, tais como controladores lógicos programáveis e PC’s. As redes DeviceNet usam um protocolo independente do tipo de rede, chamado protocolo industrial comum (Common Industrial Protocol - CIP), que é responsável pelos recursos de controle, configuração e coleta de dados da rede. Este processo garante maior flexibilidade graças à capacidade de trabalhar com dispositivos de diferentes fornecedores. É utilizada no nível de dispositivo de campo.

(31)

3.1.5.1 Características da rede DeviceNet

Linha tronco + derivações; Remoção de nós e diagnósticos; Até 64 nós;

Taxas de 125, 250 e 500Mbps; Terminadores de 121 Ohms.

Figura 31 – Características gerais - DeviceNet.

(32)

Figura 32 – Derivações - DeviceNet

Figura 33 – Conexões - DeviceNet.

3.6 EtherNet/IP

É uma tecnologia de rede aberta para automação e controle de processos industriais. É utilizada ao nível de gerenciamento da informação.

(33)

Figura 34 – Nível de automação EtherNet.

Figura 35 – Histórico da EtherNet.

3.1.6.1 EtherNet Comercial

Padrão de fato – Internet, e-mail, troca de arquivos; Embutido em vários PC’s hoje em dia;

Devido á base instalada possui virtualmente facilidades de fabricação – marcas familiares/nível de conforto;

Tecnologia aberta

(34)

Tabela 7 – Cabos.

3.1.6.2 Vantagens da EtherNet/IP

Padronização de cabos e acessórios da rede (IEEE 802.3); Alta velocidade de comunicação (10 Mbps, 100 Mbps, 1Gbps); Utilização de topologias estrela;

Hubs e Minihubs; Alta confiabilidade. Utilização de fibra ótica; Alta imunidade a ruídos; Fácil instalação;

Protocolo TCP/IP;

Permite conexão de dispositivos de diversos fabricantes; Padrão de fato.

(35)

Figura 37 – Analogia ao modelo OSI.

3.7 Modbus

O protocolo Modbus foi desenvolvido pela empresa Modicon em 1978/79 como um simples meio de troca de dados entre controladores e sensores, utilizando uma comunicação mestre-escravo / cliente-servidor. Uma vez desenvolvido, foi largamente difundido e bem aceito pelo meio industrial, e também pelo fato de tratar-se de um protocolo aberto, tornou-se um dos protocolos mais implementados em diversos produtos de diversos fabricantes para área de automação industrial.

O Modbus é um protocolo que se encontra na camada de aplicação, posicionada na camada 7 do modelo OSI, e que provê a troca de dados no modelo Cliente / Servidor entre equipamentos conectados em diferentes tipos de redes, como ilustra a figura abaixo

O Modbus opera à taxas de transmissão de 19200 bps, sem paridade e 2 stops bits configuráveis, estando implementado nos modos RTU e ASCII, através do canal serial RS-232C para comunicação ponto-a-ponto (estrela) ou RS-485 no padrão multi-ponto (barramento), configurado para operar como um elemento escravo desta rede.

Pelo fato do protocolo Modbus estar bem difundido no mercado, a maioria dos fabricantes de sistemas supervisórios e IHM’s disponibilizam device drives que agilizam a integração de equipamentos que se comunica com o Modbus em uma rede industrial.

3.1.7.1 Interface Serial RS-485

Padrão de sinal elétrico para interligação de instrumentos com um CLP ou computador. É constituído de 2 fios polarizados interligando normalmente os instrumentos a um conversor RS 485 / RS 232. Capacidade máxima de 31 aparelhos por grupo. Comprimento máximo da linha não deve ser superior a 1000 metros.

(36)

Sugestão integrada para os 3 níveis de automação.

Figura 38 – Sugestão integrada de automação dos 3 níveis.

4. PLC (Controlador Lógico Programável)

4.1 Surgimento do PLC

O controlador programável surgiu em 1969. Anteriormente a isso, o hardware do controle seqüencial era dominado principalmente pelos relés. No que concerne aos dispositivos de controle de seqüência que utilizam os relés, apresentavam as desvantagens:

Mau contato;

Desgastes dos contatos;

Necessidade de instalação de inúmeros relés, execução de fiação entre os inúmeros terminais de contatos e de bobinas;

Complexidade na introdução de alteração na seqüência; Necessidade de manutenções periódicas.

Apesar de apresentarem todas as desvantagens, os relés se tornaram elementos principais do hardware de controle de seqüência em razão de não haver, na época, elementos que pudessem substituí-los eficazmente. No final da década de 60, iniciou-se o desenvolvimento de microcomputadores, utilizando-se o circuito integrado (Cl), e a universalidade da capacidade de processamento dos mesmos tornou-se o centro das atenções, aguardando-se com enorme expectativa o surgimento do hardware para controle dotado de grande versatilidade de processamento.

(37)

Na época, a General Motors (GM – empresa automobilística americana) anunciou 10 itens relativos às condições que um novo dispositivo eletrônico de controle de seqüência deveria atender para que pudesse substituir os tradicionais relés. Os itens são os seguintes:

1. Facilidade de programação, de alteração do programa, inclusive nas estações de trabalho; 2. Facilidade na manutenção, desejável que fosse totalmente do tipo de encaixar (plug-inunit);

3. A confiabilidade na estação de trabalho deverá ser superior em relação ao painel de controle do tipo com relés;

4. Deverá ser mais compacto que o painel de controle do tipo com relés;

5. Possibilitar o envio direto de dados à unidade central de processamento de dados; 6. Deverá ser economicamente competitivo com o painel de controle do tipo com relés; 7. Possibilitar entradas com níveis de tensão alternada da ordem de 11 5[V];

8. As saídas deverão ser em 11 5[V] C.A. com capacidade superior a 2[A] de intensidade de corrente; deverá ainda possibilitar a operação das válvulas solenóides, comando para partida de motores e outros;

9. Com um mínimo de alteração, possibilitar a ampliação do sistema básico;

10. Deverá estar dotado de memória programável que possa ser ampliada até 4k WORDS no mínimo.

Originalmente, o PLC surgiu como um dispositivo de controle tipo universal, que pudesse substituir os sistemas de relés e, posteriormente, com a evolução das tecnologias de computação e dos CI’s, desenvolveu-se tornando possível a redução de custo, compactação, elevação das funções e outros, até atingir a maturidade como sendo hardware principal para controle seqüencial.

Com a evolução, foi eliminado o termo “logic” do nome PLC, passando este dispositivo a ser chamado de PC - Controlador Programável. Com o passar do tempo os controladores programáveis passaram a tratar variáveis analógicas e no inicio dos anos oitenta incorporaram a função do controle de malhas de instrumentação, com algoritmos de controle proporcionais, integrais e derivativos (PID). Ainda na década de oitenta com a evolução dos microcomputadores e das redes de comunicação entre os PLC's, os quais passaram a elevar seu desempenho, permitindo que vários controladores programáveis pudessem partilhar os dados em tempo real e que nesta mesma rede estivessem conectados vários microcomputadores, os quais através de um software de supervisão e controle podiam monitorar visualizar e comandar o processo como um todo a partir de uma sala de controle distante do processo.

4.2 Tecnologia dos PLC’s

4.2.1 Hard Logic para Soft Logic 4.2.1.1 Hard Logic

Quando se elabora uma seqüência de controle utilizando os relés convencionais e/ou módulos lógicos de estado sólido, a lógica do sistema será de acordo com a fiação executada entre esses dispositivos, sendo que a seqüência de controle é do tipo “hard logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de fiação elétrica). A alteração na lógica significa realizar alterações na fiação. Dessa forma existem diversos pontos deficientes, enumerados a seguir:

a) Problemas relacionados ao projeto e fabricação:

A elaboração do diagrama da seqüência depende, na maioria dos casos, da capacidade ou experiência pessoal do indivíduo. Assim, além do diagrama de seqüência propriamente dito, outros inúmeros serviços relacionados, como diagrama de fiação entre os componentes, layout dos componentes, determinação das espécies de fios e cabos e outros, têm que ser projetados.

(38)

Por outro lado, quando se deseja introduzir alterações do sistema já pronto, tem-se que efetuar adição e/ou deslocamento de componentes e da fiação, acarretando um alto custo com relação ao tempo e à mão-de-obra.

b) Problemas relativos à operação experimental e ajustes:

Para efetuar a verificação no caso em que o projeto da seqüência foi elaborado corretamente ou as fiações foram executadas conforme o projeto é necessário efetuar testes de continuidade, utilizando aparelhos de testes apropriados. Além disso, nos ajustes de campo com a seqüência acoplada às partes mecânicas há a necessidade de assistência e orientação de técnicos de grande experiência.

c) Problemas relativos à instalação, montagem e manutenção:

Como o hard logic toma um espaço muito grande, encontra-se normalmente dificuldade no lay-out, além da necessidade de se efetuar a manutenção periódica das partes móveis (contatos, etc.) e, ainda, manter um estoque de peças sobressalentes considerando-se a vida útil das mesmas.

d) Problemas relativos à função:

Como existe um limite de tempo para acionamento dos relés, o hard logic não é indicado para equipamentos que requerem alta velocidade de controle. Além disso, torna-se extremamente difícil o controle de um sistema com hard logic quando o mesmo necessita de memorização temporária, processamento e comparação de valores numéricos.

4.2.1.2 Soft Logic

O computador nada poderá fazer se for constituído apenas por “hardware”. As suas funções serão ativadas somente quando houver um programa denominado “software”. Os computadores, através de programas ou software, podem realizar cálculos das folhas de pagamentos, assim como, cálculos de equações das mais complexas. Isto significa que, com um mesmo hardware, a lógica poderá ser alterada através de um software denominado programa. Ou seja, a lógica do computador é um “soft logic”. “Aplicando o mesmo raciocínio de controle seqüencial, pode-se dizer que as fiações que compõem a lógica do circuito de relés, poderão ser substituídas pelo software, denomina-se soft wired logic” (lógica de interligação dos dispositivos por meio de programas). Para realizar o controle seqüencial através do soft Iogic, ter-se-á que dotar o hardware de um dispositivo de memória, tal qual no computador, e nele armazenar uma série de programas Esses equipamentos que objetivam o controle seqüencial, são denominados “Stored Program System Controller” ou “Programmable Controller’ (PLC) - Controlador Programável, ou ainda, abreviadamente, “PLC”“.

4.2.1.3 Significado da lógica por software

O fato de se transformar a lógica da seqüência em software significa que as atribuições das fiações do hard logic serão executadas pelo soft logic. Por conseguinte, o hardware poderá ser constituído por um equipamento standard. Isso foi possível através da padronização do controle seqüencial, solucionando uma grande parte dos problemas que existiam tradicionalmente nos painéis de relés, além de possibilitar a promoção da automação e racionalização em níveis cada vez mais elevados. Na tabela 8, indica-se a comparação entre o tradicional painel de relés e o PLC e verifica-se que, em praticamente todos os aspectos, o PLC apresenta-se com maiores vantagens. Dessa forma, com a introdução da tecnologia de computação, surgiu o controlador programável, proporcionando uma evolução excepcional no controle seqüencial.

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