AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL

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1 AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo Vitorino Monteiro da Silva Mestre em Engenharia Electrotécnica e de Computadores Março de 2004

2 FICHA TÉCNICA Título AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Copyrigth 2004 do autor Autor Gustavo Monteiro da Silva Edição Escola Superior de Tecnologia de Setúbal R. do Vale de Chaves, Estefanilha SETÚBAL Portugal Tel Fax ISBN: Depósito Legal Nº: 1 Lisboa, Março de 2004

3 Trabalho realizado sob a supervisão do Doutor Eng.º José Miguel Dias Pereira Professor Coordenador da Escola Superior de Tecnologia de Setúbal

4 À memória da minha mãe

5 RESUMO Apresenta-se o conceito de Rede de Campo como um novo marco no desenvolvimento da Instrumentação de Medida. Analisam-se as potencialidades da instrumentação ligada em rede e faz-se uma apreciação comparativa com a forma clássica de utilizar a instrumentação. Indicam-se diversas formas de ligar a instrumentação em rede, bem como os procedimentos a utilizar para efectuar uma instalação correcta. Faz-se um estudo sobre a configuração de diversos constituintes de um sistema. Mostram-se quais os cuidados a observar para ter uma rede fiável e rápida. Finalmente apresentam-se os resultados de um trabalho experimental em que se utiliza instrumentação em rede para controlar, num tanque fechado, a temperatura, o caudal o nível e a pressão. PALAVRAS CHAVE Redes de Campo, Fieldbus, Instrumentação de Medida, Sensores Digitais, Controlo Distribuído, Controlo Industrial.

6 ABSTRACT The concept of Fieldbus is introduced here as a new millstone on the Measurement Instrumentation development. The potential of using networks to connect the instrumentation is analyzed in this work, as its made a comparison with the classical way of connecting instruments. Several ways of making the networks are shown, together with the procedures necessary to have a good installation. It is done a study on how to configure the devices of a Fieldbus system, as well the required cares in order to have a reliable and fast network. Finally are shown the results of an experimental work using a Fieldbus network. With this network, used together with a pressurized tank, several variables are controlled, mainly temperature, flow, level and pressure. KEYWORDS Sensors Networks, Fieldbus, Measurement Instrumentation, Digital Sensors, Distributed Control, Industrial Control.

7 AGRADECIMENTOS Quero agradecer, Ao Professor João Catarino, pelo estímulo que me deu para que este projecto se realizasse, e pelo agrado com que seguiu a sua execução. Ao Professor Dias Pereira, pela forma interessada como soube acompanhar este trabalho, e pela preocupação que sempre revelou com todos os detalhes, quer de caracter teórico ou experimental. Ao encarregado do Laboratório de Instrumentação e Medida, Sr. António Silva, pelo grande auxílio que deu na construção do caudalímetro, na calibração dos instrumentos analógicos e na montagem do equipamento, e sem o qual não teria sido fácil a execução do trabalho. Ao encarregado de trabalhos do Laboratório de Instrumentação e Medida, Renato Bito, pelo valioso auxílio que deu na execução de pequenos dispositivos de interface e na montagem e acompanhamento dos trabalhos experimentais. À minha mulher e ao meu pai, que tiveram a minha companhia mais reduzida mas mais uma vez compreenderam que me dediquei a esta causa com gosto e entusiasmo.

8

9 CONTEÚDO 1. AS REDES DE CAMPO INTRODUÇÃO EVOLUÇÃO HISTÓRICA TIPOS DE REDES VANTAGENS DA INSTRUMENTAÇÃO EM REDE AS COMUNICAÇÕES INTRODUÇÃO ARQUITECTURA DA REDE O MEIO FÍSICO Os condutores da rede Tensões e correntes Codificação dos sinais PILHA DE COMUNICAÇÃO Camada de enlace de dados Comunicações programadas Comunicações não programadas Algoritmo do LAS Sub-Camada de acesso à rede Sub-Camada de especificação de mensagens Dispositivos de campo virtuais Serviços de comunicação Formato das mensagens Protocolo CAMADA DO UTILIZADOR. BLOCOS Introdução Bloco de recursos Blocos transdutores Bloco transdutor de entrada Bloco transdutor de saída Bloco transdutor de diagnósticos Bloco transdutor de visualização Blocos de funções Bloco de entrada analógica Bloco de entrada discreta Bloco Integrador Bloco de aritmética Bloco funcional controlador PID... 30

10 Bloco de alarmes analógicos Bloco tabela de valores Bloco selector de entradas Bloco repartidor Bloco gerador de funções Bloco temporizador e lógica Bloco avanço/atraso Outros blocos de funções Bloco de saída analógica Outros blocos de saída OS INSTRUMENTOS INSTALAÇÃO Acção da temperatura Acção da humidade Atmosferas corrosivas, inflamáveis e explosivas Efeito das vibrações LD302 FIELDBUS PRESSURE TRANSMITER Objectivo Instalação. Ligações Descrição funcional - Hardware Configuração Bloco de recursos Bloco transdutor Manutenção Especificações Especificações funcionais Especificações de desempenho Especificações físicas Calibração TT302 FIELDBUS TEMPERATURE TRANSMITTER Descrição Instalação. Ligações Descrição funcional - Hardware Configuração Bloco de recursos Bloco transdutor Manutenção Especificações Especificações funcionais Especificações de desempenho Especificações físicas Calibração... 58

11 3.4. IF302 TRIPLE CHANNEL CURRENT TO FIELDBUS CONVERTER Objectivo Instalação. Ligações eléctricas Descrição funcional - Hardware Configuração Bloco de recursos Bloco transdutor Manutenção Especificações Especificações funcionais Especificações de desempenho Especificações físicas FI302 TRIPLE CHANNEL FIELDBUS TO CURRENT CONVERTER Objectivo Instalação. Ligações eléctricas Descrição funcional - Hardware Configuração Bloco de recursos Bloco transdutor Manutenção Especificações FY302 FIELDBUS VALVE POSITIONER Objectivo Instalação. Ar e ligações pneumáticas Instalação. Ligações eléctricas Descrição funcional - Hardware Configuração Bloco de recursos Bloco transdutor Manutenção Especificações Especificações funcionais Especificações de desempenho Especificações físicas PROJECTO DE REDES DE INSTRUMENTAÇÃO INTRODUÇÃO DIAGRAMAS P&I SELECÇÃO DOS INSTRUMENTOS ESTRUTURA DA REDE ARQUITECTURA DOS SEGMENTOS H Ligação em barramento (bus) Ligação em árvore (tree)... 76

12 Ligação em margarida (daisy) Terminações Fonte de alimentação e impedância da FA Caixas de junção LOCALIZAÇÃO DOS TRANSMISSORES CABOS. SECÇÕES E COMPRIMENTOS INSTRUMENTAÇÃO INTRINSECAMENTE SEGURA REDUNDÂNCIA NOS TROÇOS DE REDE UTILIZAÇÃO DE VÁRIOS TROÇOS DE REDE TRABALHO EXPERIMENTAL OBJECTIVO E TRABALHO REALIZADO DESCRIÇÃO DO PROCESSO P&I E INSTRUMENTAÇÃO UTILIZADA INSTRUMENTAÇÃO ANALÓGICA Caudal de saída, FI Nível do tanque, LI Caudal de entrada, FI Temperatura da água, TY CONFIGURAÇÃO DA INSTRUMENTAÇÃO DIGITAL Temperatura da água Pressão do ar Pressão da água de alimentação Conversor IF Conversor FI Válvula de saída Válvula de água fria Lista de dispositivos activos CADEIAS DE CONTROLO SIMPLES Controlo do Caudal de saída Nível do reservatório Temperatura da água CONTROLO MULTIVARIÁVEL MODELO DE ESTADO DO PROCESSO Modelo de estado do reservatório SISTEMA DE SUPERVISÃO AUXILIAR CONCLUSÕES E RECOMENDAÇÕES ANEXO - CONVERSOR CORRENTE/TENSÃO 121 LISTA DE SIGLAS. 123 BIBLIOGRAFIA 125

13 1. AS REDES DE CAMPO 1.1. Introdução As redes de campo, designadas na literatura anglosaxónica por "fieldbuses", são redes locais de comunicação, bidireccionais, projectadas e utilizadas para interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controlo e sistemas de operação industriais. Uma vez que nas redes de campo transitam sinais de controlo, os dados têm que fluir na rede em tempo real. Além disso a interligação de instrumentos entre si é bidireccional, característica que para os instrumentos que são apenas de medida praticamente não existe na tecnologia convencional, mesmo na que utiliza sistemas de controlo distribuído, onde, no caso dos sensores, a informação apenas flui dos dispositivos de campo, para o sistema de operação. De um modo bastante geral, consideram-se instrumentos de campo todos os instrumentos de medida ou sensores, os actuadores e os posicionadores, correntemente acoplados às válvulas de controlo, e os controladores lógicos programáveis (PLC) de uma instalação. Ligados às redes de campo estão também os sistemas de operação, correntemente designados por consolas de operação, através dos quais os operadores das instalações industriais podem acompanhar, controlar e decidir sobre a evolução das variáveis de processo da instalação. A instrumentação em rede constitui um conceito novo no domínio da instrumentação industrial, na medida em que permite que todos os algoritmos de cálculo, incluindo os de controlo, se encontrem distribuídos pelos diversos instrumentos que estão ligados à rede. Por esta razão também se dá o nome de FCS ( fieldbus control system ) aos sistemas de controlo industrial com este tipo de arquitectura. Há actualmente um grande número de tipos de redes para utilização com instrumentação de campo, cada uma delas com as suas características próprias e para aplicações concretas. Assim, há redes para utilização específica com a instrumentação de processos de controlo, redes para utilização em domótica, para utilização com autómatos, redes para a indústria automóvel, etc. Uma característica muito importante em muitas destas redes é a sua interoperabilidade, ou seja, a possibilidade de os instrumentos de um fabricante poderem ser substituídos por outro de qualquer fabricante, com conservação de todas as características funcionais. Na Fig. 1, na página seguinte, representa-se de uma forma esquemática, a interligação de instrumentos numa rede de campo.

14 AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Sistema de operação Fonte de alimentação Rede FieldBus Terminação Instrumentação de campo Fig. 1 Interligação de instrumentos em rede de campo Um sistema em rede de campo industrial, para ser utilizado ao nível da instrumentação de medida e controlo, deve apresentar algumas características essenciais, nomeadamente: Deve haver vários instrumentos suportados pelo mesmo cabo de rede. Os cabos de rede deverão servir simultaneamente para efectuar a alimentação dos instrumentos e para a transmissão da informação. Não deverá haver equipamento intermediário entre a operação e o campo. Os sinais na rede devem ser exclusivamente digitais. A comunicação deverá ser bidireccional. O sistema deverá poder funcionar mesmo na situação anómala de não ter o sistema de operação a funcionar. O cabo de ligação da rede é usualmente um par entrançado blindado, de secção inferior a 1 mm 2. Deste modo há uma redução nos custos da cablagem comparativamente com os sistemas convencionais de 4-20 ma, redução que tem um significado apreciável se a instalação contiver um grande número de instrumentos em rede. O facto dos cabos de rede servirem simultaneamente para as comunicações e para alimentar os instrumentos conduz a uma simplificação da instalação e a uma redução acrescentada nos custos de instalação. Ao não existir equipamento intermediário entre as redes de campo e as estações de operação está-se a efectuar uma redução na quantidade de equipamento, com nova redução nos custos. Página 2 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Março de 2004

15 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Como os sinais transmitidos através da rede são exclusivamente digitais, há um aumento na precisão destes, uma maior imunidade ao ruído e uma maior capacidade de processamento, pelo facto de se poderem utilizar microprocessadores. Finalmente salienta-se a bidireccionalidade da comunicação. Esta é aqui essencial, pois permite efectuar a calibração e diagnósticos remotos dos instrumentos de medida e das válvulas de controlo, permitindo ainda que os diversos algoritmos estejam localizados em qualquer instrumento de rede. Todas estas características, que serão vistas em detalhe no decorrer deste trabalho, permitem afirmar à partida que o conceito de rede de campo constitui o início de uma nova era, tanto no campo da instrumentação de medida como no de controlo de sistemas Evolução histórica Por volta de 1950 já estava consolidado o uso de instrumentação de medida pneumática, com sinal saída de ar normalizado entre 3-15 PSI no caso de sensores e sinal de comando também com ar, com a mesma gama. Os sinais de medida e de controlo, pneumáticos, eram reunidos na sala de operação, onde existia uma grande quantidade de indicadores, registadores e controladores pneumáticos, sendo o controlo, na maioria dos casos, feito variável a variável. Cerca de 1960 começou a generalizar-se a instrumentação electrónica, em que o sinal pneumático foi substituído por um sinal eléctrico contínuo. Foi muito grande, e continua a ser, a quantidade de instrumentos que utiliza o sinal em corrente, com a gama de 4-20 ma. É o aparecimento da instrumentação electrónica que dá origem ao rápido desenvolvimento dos sistemas de controlo por meio de computador, em que um computador central recebe a informação dos sensores e envia sinais de comando para os actuadores. São os chamados sistemas DDC ( direct digital control ). Se os sistemas DDC possuiam a grande vantagem de eliminar os indicadores, registadores e controladores de painel, de recolherem e processarem a informação dos sensores e efectuarem um controlo do processo mais eficiente, tinham o inconveniente de usarem computadores, lentos e pouco fiáveis, de custo muito elevado, com programação em linguagem máquina ou através de linguagens dedicadas. Passou a haver necessidade de ter pessoal especializado. Além disto, não era muito cómodo nem económico conduzir centenas ou até milhares de cabos a um local apenas: a sala do computador. Os sistemas DDC tiveram um grande desenvolvimento com o aparecimento dos minicomputadores, estimando-se que houvesse em 1970 cerca de 5000 sistemas DDC, e em 1975 perto de Para estes sistemas o custo da cablagem ultrapassava por vezes em 50 % o custo do sistema DDC. Com o objectivo de aumentar a fiabilidade e a rapidez, diminuir a cablagem e consequentemente diminuir os custos de exploração e de instalação, começaram a aparecer os actuais sistemas DCS Março de 2004 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Página 3

16 AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva ( distributed control systems ); corria o ano de Foi por esta altura que também apareceram os controladores lógicos programáveis, vulgarmente conhecidos por PLCs. Nestes sistemas DCS são utilizadas unidades de campo independentes, com microprocessador e memória, às quais se encontra ligada apenas a instrumentação de uma determinada área. Estes módulos estão ligados a a um computador central, a um bus comum ou então a uma rede de comunicação. Por volta de 1980 surgiu a primeira instrumentação inteligente. Esta é caracterizada por conter um microprocessador, que lhe permite aumentar enormemente a potencialidade. É possível nomeadamente efectuar diagnósticos, usar um indicador local digital em que se pode mostrar o nome da cadeia de medida, as unidades utilizadas na apresentação das grandezas, a validade da medida e efectuar a calibração numericamente. No entanto um dos passos importantes na evolução da instrumentação inteligente foi a utilização de um sinal digital, sobreposto ao sinal analógico, podendo comunicar-se com o instrumento através de um pequeno calibrador portátil, que permite reconfigurar e calibrar o dispositivo sem ter que retirá-lo de serviço. Este método é utilizados nos sistemas híbridos do tipo HART. Com o aumento do número de instalações de grande porte, em que o custo dos cabos de ligação dos instrumentos constitui uma fracção significativa do custo de um sistema de controlo, houve necessidade de diminuir a quantidade de cablagem numa instalação. Está-se assim a enveredar pelo caminho de sistemas com a instrumentação ligada em rede (sensores, válvulas, actuadores). Pare isto tem também contribuído o desenvolvimento e a miniaturização da electrónica digital. Um sistema deste tipo é designado na literatura anglo-saxónica por Fieldbus Control System FCS. Na Fig. 2 representa-se, de uma forma aproximada não à escala, a evolução no número de sistemas de cada um destes tipos e na Fig. 3 representa-se de uma forma esquemática a configuração de cada um dos tipos de sistemas que acaba de se referir. nº de sistemas no mundo Pneumático DDC DCS FCS ano Fig. 2 Evolução de cada tipo de sistema Página 4 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Março de 2004

17 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL DDC DCS FCS PID PID PID Cablagem longa e concentrada num ponto Sistema lento Cartas de E/S Redução na cablagem Sistema rápido Cartas de E/S Redução adicional na cablagem Sistema rápido Não há cartas de E/S Fig. 3 Configuração básica dos diversos tipos de sistemas 1.3. Tipos de redes A instrumentação em rede começou a aparecer por volta de 1990/95. Uma vez que se trata de instrumentação exclusivamente digital, surgiu o seguinte problema: qual o protocolo que deve ser utilizado de modo a que haja interoperabilidade, ou seja, um instrumento de um determinado fabricante possa ser substituído por outro de outro fabricante sem que haja qualquer perturbação. Apesar de ter havido um grande esforço com o objectivo de utilizar apenas um tipo de rede, com apenas um protocolo, não tem sido possível alcançar este objectivo, devido a considerações de ordem técnica associadas a interesses económicos e políticos. Surgiram sim diversos tipos de redes, consoante a aplicação a que se destinam e a zona económica em que estão inseridos os fabricantes, nomeadamente a ASI, a CAN, a DEVICENET, a FOUNDATION FIELDBUS, a INTERBUS, a MODBUS a PROFIBUS, a WORLDFIP, etc. Na Fig. 4 representa-se esquematicamente o domínio de aplicação de alguns tipos de redes existentes. A escolha de um determinado tipo de rede depende fundamentalmente do nível de complexidade das cadeias de controlo e do tipo de dispositivos em causa. No caso que interessa mais em instrumentação e controlo, em que se trabalha com um nível de complexidade elevado, ao nível do bloco de bytes e em que se utilizam estratégias de controlo avançadas, são de salientar as redes PROFIBUS e FOUNDATION FIELDBUS. Esta última, núcleo deste trabalho, é descrita no capítulo seguinte. Março de 2004 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Página 5

18 AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Tipo de controlo Controlo Avançado Controlo de loop Controlo Lógico SENSORBUS Interbus Seriplex ASI... DEVICEBUS Device Net Profibus DP Interbus S... FIELDBUS Foundation Fielbus Profibus... Ao nível do bit Ao nível do byte Ao nível do bloco Tipo de dispositivo Fig. 4 Domínio de aplicação dos tipos de redes 1.4. Vantagens da instrumentação em rede A utilização da instrumentação em rede é vantajosa, quando comparada com a instrumentação convencional usada em sistemas de controlo distribuído. Além dos pontos já apresentados anteriormente, são de salientar mais os seguintes: Visibilidade acrescida de toda a instrumentação digital. Diagnósticos em linha, em qualquer ponto do sistema. Manutenção preventiva através do próprio sistema. Expansão da rede com o sistema em funcionamento. Tecnologia aberta. O conceito de visibilidade acrescida é apresentado Fig. 5 e pode ser ilustrado com o seguinte exemplo: Numa válvula de controlo ligada a um sistema DCS não é possível ter acesso aos parâmetros da válvula; apenas se pode enviar o sinal de controlo e ter acesso à posição, se esta estiver ligada ao sistema como sinal de entrada. Mesmo que a válvula seja inteligente, e o instrumentista possa aceder aos seus parâmetros através do calibrador, este terá de ser ligado, nessa altura, ao par de condutores que liga a válvula à carta electrónica de entrada/saída do sistema. Numa válvula ligada em rede a situação é diferente: é possível, através de qualquer consola de operação, visualizar ou modificar os parâmetros da válvula tais como o ganho, o tempo de integração e muitos outros. Página 6 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Março de 2004

19 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL DCS FCS Visibilidade limitada Não contém diagnósticos nem outra informação sobre os dispositivos de campo. Visibilidade expandida Os instrumentos fazem parte do sistema: diagnósticos e informação. Fig. 5 Visibilidade da instrumentação num sistema em rede Os sistemas FCS podem ser totalmente configurados pelo utilizador, na instalação industrial, de acordo com a instalação a ser controlada. O utilizador não tem que saber linguagens de programação para operar o sistema, nem sequer para o configurar, uma vez que esta é feita utilizando um interface gráfico apropriado. Ao configurar convirá no entanto efectuar a distribuição de tarefas de um modo racional para não sobrecarregar a rede de campo, deixando para esta as funções críticas e deixando outras funções no servidor, como se recomenda no quadro seguinte: Tarefas a executar nos dispositivos em rede Controlo a nível do campo Programação Lógica Sequências Cálculos locais Selecção de variáveis Alarmes Diagnósticos Tarefas a executar no servidor Imagens e Sinópticos Supervisão e Optimização Lotes e Receitas Tendências Alarmes Relatórios Controlo estatístico Bases de dados Inventário da Instrumentação Março de 2004 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Página 7

20 AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Neste trabalho não são abordadas tarefas executadas no servidor, uma vez que o objectivo consiste em estudar a interligação da aparelhagem em rede. Este estudo é feito nos capítulos que se seguem, para uma rede Foundation Fieldbus : - Estudo sumário da arquitectura da rede e dos sinais, e dos blocos, em particular dos blocos de funções, - Estudo de alguns instrumentos de medida com protocolo Foundation Fieldbus, - Projecto de uma rede de instrumentação, - Realização de um trabalho experimental com instrumentação em rede. Página 8 Capítulo 1 Introdução às Redes de Campo Março de 2004

21 2. AS COMUNICAÇÕES 2.1. Introdução Designa-se por Foundation Fieldbus um sistema de comunicações digital destinado a ser usado pela instrumentação de medida e controlo industriais a nível de campo. Neste sistema, a nível do campo a comunicação é série e bidireccional, a kbit/s, e utiliza apenas um par de condutores entrançado, que simultaneamente serve para transportar a informação e efectuar a alimentação dos dispositivos a ele ligados. O sistema foi desenvolvido por uma organização internacional, a Foundation Fieldbus, cujo objectivo tem sido criar um tipo de comunicação para este tipo de equipamento que seja simples, eficiente, único e inter-operável. O protocolo que se descreve aplica-se ao nível de base, ou seja, é o usado pelos instrumentos de campo, numa hierarquia de redes de equipamentos fabris. A Foundation Fieldbus, criada em 1994 a partir da junção das organizações ISPF e WorldFIP North America, é uma organização com fins não lucrativos constituída por mais de 140 entidades, na sua maioria empresas. Estas representam os fornecedores de mais de 90 % da instrumentação de medida e controlo a nível mundial. O objectivo da Foundation Fieldbus surgiu das necessidades dos seus membros e tem sido a elaboração e o desenvolvimento de um protocolo de comunicação que satisfaça os seguintes requisitos: seja aberto ou interoperável, utilizável por qualquer dos seus aderentes, seja simples e eficiente, seja baseado no trabalho da CEI e da ISA, seja único, no seu domínio de aplicação. Como se pode depreender, os objectivos da organização não têm sido fáceis de alcançar, nomeadamente devido a: Dificuldades em definir um protocolo único que satisfaça todas as situações. Com efeito umas ligações pretendem-se rápidas e outras mais lentas, há equipamento que trabalha ao nível do bit e outro ao nível de blocos funcionais, há redes que devem possibilitar a alimentação dos instrumentos, noutras isto não é necessário, poderá haver necessidade de interligar um número grande de instrumentos ou não, ter garantia de funcionamento em tempo real ou não, poder ligar instrumentação intrinsecamente segura, etc., Pressões introduzidas por alguns grupos económicos com o objectivo de controlar o mercado com os seus sistemas proprietários.

22 AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL Gustavo da Silva Por estas razões não foi possível alcançar todos os objectivos a que a Foundation Fieldbus se propôs, nomeadamente no que respeita à unicidade do tipo de protocolo. Embora já largamente difundido, nomeadamente nos Estados Unidos, existe na Europa uma grande concorrência por parte do sistema com protocolo Profibus. Há actualmente dois tipos fundamentais de hierarquias Foundation Fieldbus : H1 Rede utilizada com a instrumentação de campo, em que esta é alimentada directamente a partir da rede, e destinada essencialmente a efectuar tarefas de controlo em tempo real. Nesta rede é essencial uma sincronização exacta dos sinais. Esta rede permite a utilização de instrumentação intrinsecamente segura. É uma rede a kb/s. HSE É uma rede destinada a interligar redes e grupos de instrumentos. É bastante mais rápida que a anterior (100 Mbit/s), não fornece a alimentação aos equipamentos, e é compatível com o protocolo Ethernet. Uma das grandes vantagens do protocolo Foundation Fieldbus sobre outros protocolos reside na sua interoperabilidade, ou seja, na possibilidade de substituir um determinado instrumento de um fabricante por um outro de outro fabricante, sem que haja necessidade de efectuar qualquer tipo de reconfiguração dos parâmetros do equipamento e mantendo todas as funcionalidades. A interoperabilidade permite que o utilizador da instrumentação escolha em cada momento o fornecedor que mais lhe convém, não ficando obrigado à utilização de uma determinada marca de equipamento. O protocolo Foundation Fieldbus baseia-se no modelo OSI (1) da ISO (2). No entanto neste protocolo apenas existem 3 camadas: a camada física, a pilha de comunicação e a camada de aplicação, como se indica na secção seguinte. Por ser do interesse deste trabalho analisar a rede que interliga a instrumentação de campo, analisar-se-á a rede H1, em particular no que respeita ao meio físico, aos blocos de funções da camada de aplicação, à instrumentação de medida e controlo e à configuração da mesma para as aplicações mais correntes Arquitectura da rede A rede "Foundation Fieldbus" é uma rede local LAN específica para interligar instrumentação e dispositivos de controlo ao nível de campo numa instalação fabril. A rede é aberta, para que os dispositivos a ela ligados possam ser substituídos, se necessário, por dispositivos equivalentes de outro fabricante, sem que haja qualquer incompatibilidade ou perda de funcionalidade. 1 Open Systems Interconnection 2 International Organization for Standardization Página 10 Capítulo 2 As Comunicações Março de 2004

23 Gustavo da Silva AS REDES DE CAMPO EM INSTRUMENTAÇÃO E CONTROLO INDUSTRIAL A arquitectura de rede é baseada no modelo de referência Open System Interconnection, OSI, estabelecido pela ISO e recomendado como uma arquitectura padrão para redes, o qual se utiliza hoje com grande aceitação. O modelo OSI estabelece, na ligação de um dispositivo a uma rede, um conjunto de 7 camadas hierarquizadas. Todos os dispositivos que possam ser ligados à rede têm camadas análogas. A informação circula dentro de cada dispositivo entre camadas hierarquicamente adjacentes, do nível mais alto para o mais baixo quando é enviada, do mais baixo para o mais alto quando é recebida. Esta comunicação entre camadas hierarquicamente adjacentes obedece a um conjunto de regras relativamente complexas, que não serão aqui apresentadas, por não serem do âmbito deste trabalho. Podem encontrar-se descrições deste modelo nas referências [41] e [42] da bibliografia. No modelo OSI a camada de nível hierárquico mais baixo, designada por camada física, é a que se encontra fisicamente ligada à rede. O suporte físico da rede Foundation Fieldbus é constituído por um par de condutores (de cobre) entrançados, com blindagem. É por este suporte que transitam os sinais físicos de comunicação (tensões e correntes eléctricas) entre os diversos dispositivos ligados à rede. A camada imediatamente acima da camada física é designada por camada de enlace de dados data link layer, DLL. Esta camada controla o envio e a recepção de mensagens na rede. É nesta camada que são adicionados aos dados os indicadores de início e fim de mensagem e é nela que é feita a detecção e correcção de erros. Na rede "fieldbus" não se utilizam as camadas 3, 4, 5 e 6 do modelo OSI. As camadas 2 e 7 estão agrupadas numa única, a pilha de comunicação, communication stack, que se encontra sub- -dividida em 3 sub-camadas. A rede "fieldbus" tem ainda uma camada que não existe no modelo OSI, a camada do utilizador, user application. Na Fig. 2.1 encontra-se esquematizada a arquitectura da rede "fieldbus" e a forma como fluem as mensagens na rede. Camada do utilizador Pilha de comunicação Camada física Camada do utilizador Pilha de comunicação Camada física rede rede Fig. 2.1 Arquitectura da rede "fieldbus" e fluxo de mensagens Março de 2004 Capítulo 2 As Comunicações Página 11

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