Comparação das Tecnologias de Rede Fieldbus e Profibus PA

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1 Comparação das Tecnologias de Rede Fieldbus e Profibus PA Manoel Leandro de Lima Jr., Francisco Ricardo B. Cardoso Laboratório de Engenharia de Computação e Automação Departamento de Computação e Automação Universidade Federal do Rio Grande do Norte mleandro@dca.ufrn.br Laboratório de Engenharia de Computação e Automação Departamento de Computação e Automação Universidade Federal do Rio Grande do Norte frbc@dca.ufrn.br Resumo. Este artigo pretende mostrar as características dos protocolos de redes para automoção industrial Foundation Fieldbus ( e Profibus PA ( e fazer uma comparação entre elas. As características que veremos dizem respeito ao histórico de ambas, a sua estrutura de camadas e modelo básico de operação. 1. A Tecnologia Fieldbus Nosso estudo de redes de campo começará com a tecnologia Fieldbus da Foundation Fieldbus, comumente chamado Fieldbus Histórico A tecnologia Foundation Fieldbus foi desenvolvida pela fundação Fieldbus. Esta fundação foi formada por um grupo de companhias de automação com o objetivo de criar um único, aberto, internacional e interoperável padrão Fieldbus. A Foundation Fieldbus foi desenvolvida com base no trabalho de Comissões Eletrotécnicas Internacionais (IEC - International Electrotechnical Comission) e da Sociedade Internacional de Controles e Medidas (ISA - International Society for Measurement and Control). Este padrão é relativamente novo. Entretanto, esta tecnologia tem sido utilizada em mais de 130 companhias, tendo, portanto, potencial para rivalizar com os padrões mais difundidos Visão Geral da tecnologia Fieldbus A missão do Foundation Fieldbus é promover um padrão internacional para a tecnologia Fieldbus. A especificação do Foundation Fieldbus cumpre esta meta, e a participação de mais de 200 indústrias e usuários finais garante que o ideal de padrão internacional

2 seja satisfeito. A tecnologiafoundation Fieldbus empregao uso de redes de comunicação digital robusta em aplicações industriais. Um grande número de aplicações tem sido satisfeitas com o uso de implementações que usam esta tecnologia. O espalhamento de dispositivos em um barramento comum é um método de redução de custos que permite a redução nos gastos com a fiação e,consequentemente, com os custos de instalação da rede. O barramento utilizado pelo Fieldbus é half duplex. Esta tecnologia utiliza comunicação broadcast em seu barramento, assim como no padrão ethernet. Deste modo, cada dispositivo conectado ao barramento deve ser capaz de escutar as mensagens colocadas na rede pelos outros dispositivos. O cabo usado no Fieldbus possui função dupla: fornecer energia elétrica para todos os dispositivos e transmitir dados pela rede. Em razão disso, o mesmo é constituído por dois fios, um para cada função. Desde que o Fieldbus tornou-se um sistema aberto, uma gama significativa de sistemas de controle de indústrias tem adotado esta tecnologia e, como suporte para isto, inúmeros dispositivos compatíveis com a tecnologia Fieldbus são produzidos. A grande aceitação deste padrão tem reduzido o uso de sistemas proprietários Estrutura do Protocolo Foundation Fieldbus A estrutura do Foundation Fieldbus consiste de três partes: 1. Camada Física 2. Pilha de Comunicação 3. Aplicação do Usuário O modelo OSI (Open System Intercommunication) baseado em camadas é usado para modelar estes componentes. A camada física é a camada 1 do modelo OSI. A DLL (Data Link Layer) é a camada 2; a FMS (Fieldbus Message Specification) é equivalente à camada 7 OSI; e a pilha de comunicação comprime, em uma única camada Fieldbus, as camadas 2 e 7 do modelo OSI. O Fieldbus, como podemos ver na figura 1, não usa as camadas OSI 3, 4, 5 e 6. A camada FAS (Fieldbus Access Sublayer) mapeia a camada FMS para a DLL. Podemos inferir, a partir da figura e dos comentários supracitados, que a pilha de comunicação é composta pelas camadas DLL, FAS e FMS. A camada de aplicação de usuário não é definida pelo modelo OSI. O Foundation Fieldbus especifica esta camada. Cada camada Fieldbus é responsável por uma porção da mensagem que é transmitida pelo Fieldbus Camada Física A camada física é definida por padrões aprovados pela IEC e pela ISA. A camada física recebe mensagens da pilha de comunicação e as converte em sinais físicos para transmissões fieldbus. Esta tarefa de conversão inclui adicionar e remover preâmbulos, marcas de início e de fim de quadros utilizando-se para isso caracteres especiais. O preâmbulo é usado pelo receptor para sincronizar seu clock interno com os sinais fieldbus que estão chegando.

3 Figure 1: Modelo em camada do Foundation Fieldbus Figure 2: Codificação de sinal no Foundation Fieldbus Os sinais fieldbus são codificados utilizando-se o código Manchester. O sinal (figura 2) é denominado serial síncrono porque a informação de clock está associada ao fluxo de dados seriais. O dado é combinado com o sinal de clock para criar o sinal fieldbus. A taxa de transmissão é de 31,25 kbit/s Pilha de Comunicação Nesta seção descreveremos a operação das camadas DLL, FAS e FMS da pilha de comunicação. DLL (Data Link Layer): a camada DLL controla as transmissões de todas as mensagens no fieldbus. O acesso ao barramento é controlado por uma agendador de barramento centralizado e determinístico denominado LAS (Link Active Scheculer). A transmissão de dados no fieldbus ocorre de maneira cíclica, vale

4 dizer, dentro de um intervalo pre-definido de tempo (ciclo) os dispositivos terão um período de tempo para transmitir seus dados. Este período associado a cada dispositivo repete-se ciclicamente a cada período de tempo. Existem dois tipos de dispositivos no fieldbus, os dispositivos básicos e os dispositivos Mestres de Barramento (Link Master). Um dispositivo Link Master é capaz de se tornar LAS, dispositivos básicos não. Por essa razão, no caso de existir mais de um dispositivo Link Master no barramento nós teremos redundância na determinação do LAS, ou seja, mais de um dispositivo está apto a se tornar LAS. O LAS mantém uma lista dos tempos de transmissão associados aos buffers de dados de cada dispositivo, dados esses que necessitam ser transmitidos ciclicamente. O protocolo, para cada ciclo, mantém dois ciclos de operação: o de período de mensagens agendadas e o de mensagens não-agendadas. No período de mensagens agendadas, quando um dispositivo está transmitindo dados no tempo agendado para ele, dizemos que o mesmo está publicando seus dados. Para tal, o LAS envia uma mensagem (Compel Message) incitando o dispositivo a transmitir seus dados, ou seja, através desta mensagem o LAS compele o dispositivo informando ao mesmo o tempo agendado para a sua transmissão. O dispositivo, então, responderá ao LAS publicando seus dados no fieldbus. Todos os dispositivos que estão configurados para escutar o barramento, escutarão a mensagem publicada pelo referido dispositivo e atualizarão seus buffers. Todos os dispositivos no fieldbus terão a chance de enviar mensagens não-agendados entre transmissões de mensagens agendadas. Vale dizer, durante um ciclo de transmissão, o período consumido pelas mensagens agendadas não coincide com o tempo total do ciclo, ou seja, existe um período de tempo que será gasto com as mensagens não-agendadas. O LAS concede uma permissão para outros dispositivos (escravos) usar o fieldbus através emissão da mensagem PT (Pass Token) ao dispositivo. Quando o dispositivo recebe esta mensagem, o fieldbus permite que o mesmo envie mensagens até que a mesma termine ou até que o tempo total agendado para o dispositivo se expire. FAS (Fieldbus Access Sublayer): a camada FAS usa os aspectos de agendamento e não-agendamento da camada DLL para prover serviço à camada FMS. Os serviços fornecidos pela FAS são descritos pela VCR (Virtual Communication Relationships). Existem três tipos distintos de VCR: 1. VCR Cliente/Servidor (Client/Server): usado para mensagens do operador. Este tipo funciona de forma não-agendada, é iniciado pelo usuário e utiliza comunicação de um-para-um.ex.: Gerenciamento de alarme, diagnóstico remoto, etc. 2. VCR Distribuição de Relatório (Report Distribution): usado para notificação de eventos e relatórios de tendência (Trends Report). Este tipo funciona de forma não-agendada, é iniciado pelo usuário e utiliza comunicação de um-para-muitos. Ex.: Enviar alarmes para o console do operador, enviar relatórios de tendência para históricos, etc. 3. VCR Publisher/Subscriber: usado para publicar dados. Ex.: usado pelos dispositivos para publicação de seus dados de forma cíclica. FMS (Fieldbus Message Specification): os serviços da camada FMS permite à camada de aplicação de usuário enviar mensagens paratodos os dispositivos fieldbus que utilizem um grupo padrão de formatos de mensagem. O FMS descreve os

5 serviços de comunicação, os formatos das mensagens e o funcionamento do protocolo necessário para construir as mensagens usadas pela camada de aplicação de usuário. Aplicação de Usuário: esta camada interage com o usuário do serviço fieldbus de modo a prover todas as funcionalidades fornecidas por esta tecnologia. Da interação com o usuário do serviço, a camada de aplicação de usuário se comunica com as camadas inferiores para prover os serviços solicitados, desde que os mesmos estejam previstos na especificação do protocolo. O Fieldbus Foundation definiu um padrão para a camada de aplicação de usuário baseada em blocos, onde estes blocos são representações dos diferentes tipos de funções de aplicação. Esta camada se utiliza de três tipos de blocos:+ Bloco de Recursos (Resource Block): descreve as características dos dispositivos fieldbus, tais como o nome do dispositivo, fabricante e número serial. Existe somente um bloco de recurso por dispositivo. 1. Bloco de Função (Function Block): fornece o funcionamento do sistema de controle. A execução de cada bloco de função é precisamente agendada. Podem existir muitos blocos de função por aplicação de usuário. 2. Bloco de Transformação (Tranducer Block): desassocia do bloco de função as funções de entrada/saída local requeridas para leitura de sensores e dos comandos saídos de hardware. 2. A Tecnologia Profibus PA A seguir veremos a história e as características do Profibus PA (Process Automation) História do Profibus O Profibus foi desenvolvido como um padrão para redes de campo já nos anos 90. Nos anos 80 os institutos de padronização ISA ( e IEC ( estabeleceram padrões para a comunicação de campo. Na década seguinte disputas políticas entre os diversos fabricantes provocaram rupturas entre eles e surgiram padrões que começam a divergir entre si. Entre os anos de 1993 e 1995 surgiu o padrão Profibus PA (Process Automation) Visão Geral do Protocolo Profibus O Profibus é um protocolo de broadcast em barramento que opera como um sistema multimestre escravo de acordo com a figura 3: Entre os mestres há um revezamento dos mesmos através de um mecanismo de passagem de ficha de acordo com o esquema Token Ring, onde cada um dos mestres fica responsável por realizar o polling de um determinado grupo de dispositivos em um tempo (o tempo de permanência da ficha). A seguir a ficha será passada para o próximo mestre que por sua vez realizará o polling de alguns dispositivos escravos. Como podemos ver na figura 3, um escravo pode receber requisições de mais de um mestre. Existem três versões do protocolo Profibus: 1. Profibus DP (Descentralized Periphery): otimizado para velocidade e baixo custo. Foi projetado para comunicação entre sistemas de controle de automação e seus

6 Figure 3: Configuração mestre-escravo em rede Profibus respectivos I/Os a nível de dispositivo. O Profibus DP pode ser usado para substituir a transmissão de sinais em 24 V nos sistemas de manufatura automatizada, bem como a transmissão de 4 a 20 ma ou HART nos casos de automação de processos. 2. Profibus FMS (Fieldbus Message Specification): está juntamente com o DP na camada de comunicação da especificação profibus (veja figura 4). Ele é o perfil de comunicação universalmente adotado para o caso de comunicações complexas. A tendência é que com o início do uso do TCP/IP a nível de célula o FMS terá um papel menos significativo. 3. Profibus PA: o PA é um perfil de aplicação, definindo os parâmetros e blocos funcionais para dispositivos de automação de processos, como transmissores, válvulas e posicionadores. A função destes perfis é promover uma comunicação e comportamento do dispositivo independentemente do fabricante. Ele pode ser usado em áreas protegidas pois a energia e os dados são transmitidos sobre o mesmo cabo de transmissão Profibus PA O Profibus PA é um perfil de comunicação (aplication profile) do padrão Profibus. Ele é preparado para trabalhar nas seguintes áreas de aplicação: perfil de aplicações padronizado para automação e controle de processo e intercambialidade de dispositivos de campo entre diferentes fabricantes inserção e remoção de estações (dispositivos) mesmo em áreas intrinsecamente seguras, sem influenciar outras estações alimentação dos dispositivos tipo transmissores, executadas via o próprio barramento, conforme o padrão IEC possibilidade de uso em áreas potencialmente explosivas com proteções do tipo intrínseca ou encapsulada. O Profibus PA é baseado no perfil de comunicação DP e dependendo do campo de aplicação pode utilizar IEC , RS-485 ou fibra ótica podem ser usados como meios

7 Figure 4: Estrutura do sistema PROFIBUS físicos de comunicação. No que se refere a comunicação, o uso do Profibus na automação e controle de processos pode levar a uma economia de até 40% em planejamento, cabeamento e manutenção, além de aumentar a segurança e funcionalidade do sistema como um todo. Além de definir o tipo de meio físico e estabelecer o perfil de comunicação usado, o perfil PA também estabelece definições sobre a aplicação. As especificações a respeito da unidade de medida e o significado dos parâmetros do dispositivo são independentes do fabricante. O perfil PA suporta a interoperabilidade e intercambialidade de dispositivos de campo PA de diferentes fabricantes, usando o modelo de blocos funcionais. Alguns dos blocos funcionais do perfil PA são: Bloco de Entrada Analógica ( Analog Input Block ) - AI: fornece o valor medido pelo sensor, com estado e escala. Bloco de Saída Analógica ( Analog Output Block ) - AO: fornece o valor da saída analógica especificada pelo sistema de controle. Bloco de Entrada Digital ( Digital Input Block ) - DI: fornece ao sistema de controle o valor da entrada digital. Bloco de Saída Digital ( Digital Output Block ) - DO: fornece a saída digital com o valor especificado pelo sistema de controle. 3. Comparação Foundation Fieldbus e Profibus PA As indústrias, atualmente, possuem diferentes tecnologias Bus para escolher. Cada uma destas tecnlogias se ajustam mais adequadamente em áreas de aplicação específicas. Por

8 esta razão, é necessário compreender o mercado para o qual cada tecnologia foi planejada, de modo a selecionar os melhores aspectos para a aplicação a ser desenvolvida. Em razão disso, a melhor maneria de analisar as capacidades de cada tecnologia Bus para uma aplicação específica é realizar uma pesquisa apropriada para verificar qual tecnologia se adequa melhor à esta aplicação particular. Porém, como nem sempre esta prática é possível, análises gerais do desempenho de cada tecnologia em áreas específicas podem ser utilizadas de modo a averiguar as tecnologias mais apropriadas para cada aplicação. O Fieldbus e o Profibus concorrem diretamente em duas áreas comuns: indústrias de processo e instrumentação inteligente. Porém, o Fieldbus é mais robusto neste sentido, pois, além destas áreas, também pode ser encontrado em automação de fábricas. Ambas as tecnologias foram introduzidas no mercado no mesmo ano, em Entretanto, seus desenvolvedores são distintos: a Foundation Fieldbus foi desenvolvida pela Fundação Fieldbus (Fieldbus Foundation) e o Profibus pela Siemens. Como mencionado no texto deste artigo, estas tecnologias foram visionadas para serem criadas em conjunto, dando origem a uma única tecnologia. Porém, intrigas políticas dividiram os desenvolvedores. Até este momento, as especificações da camada física se encontravam juntas, no padrão IEC 1158 para o Fieldbus e IEC para o Profibus. Em consequência da separação, obviamente, os padrões aplicáveis as camadas superiores de cada tecnologia passaram a ocupar especificações distintas. O Fieldbus na ISA SP50 e o Profibus na DIN Em relação aos seus aspectos técnicos, as tecnologias possuem poucas semelhanças e bastante diferenças, diferenças estas nem sempre muito significativas. Uma semelhança marcante entre os dois se refere a taxa de transmissão de dados utilizada na comunicação, que é de kbits/s. Além disso, temos a utilização da passagem de token como algoritmo de acesso ao meio. As semelhanças entre ambos terminam por aí. Já no que se refere ao algoritmo de passagem de token, o Fieldbus inova em relação ao Profibus por utilizar um agendamento centralizado e determinístico na transmissão dos dados, dividindo o ciclo de transmissão em período agendado e não-agendado. A técnica de comunicação do Fieldbus se baseia em Single/Multiple Master, significando dizer que mais de um master pode ser utilizado. Isto assegura que, no caso de falha do dispositivo master responsável pela comunicação, outros dispositivos podem assumir o papel do master, aumentando, portanto, a tolerância a falhas. O Profibus utiliza a comunicação mestre/escravo ou peer-to-peer. Também um escravo pode ter vários mestres, mas isto não é mandatório e pode haver muitos masters se revezando no poll dos escravos num esquema de passagem de ficha semelhante ao Token Ring. No que se refere aos meio físico utilizado pelas tecnologias, o Profibus permite tanto par trançado quanto fibra ótica, já o Fieldbus só admite par trançado. Neste ponto deve ser salientado, que ambas as tecnologias utilizam o meio físico tanto para transmissão de dados como para a alimentação da energia utilizadas pelos dispositivos. Outra diferença está associada ao número máximo de nós suportados. O Fieldbus admite até 240 dispositivos por segmento ou até por sistema. O Fieldbus admite até 256 dispositivos por rede. O quadro a seguir ilustra e resume as diferenças e similaridades entre as duas

9 tecnologias Fator Profibus Foundation Fieldbus Desenvolvedor Profibus Fieldbus Foundation Ano de introdução 1995(PA) 1995 Meio físico Par trançado ou fibra ótica Par trançado, fibra ótica Número de nós sem repetidores: 32, com: por segmento Dist. máxima típica sem repetidores: 200m, com: 800m 1900m Sistema Mestre-escravo (Extensões V1) Single/Multi Master Comunicação Poll Cíclico (determinado por LAS) Velocidade 31.25Kbps (PA) 31.25Kbps Acesso ao meio Token passing Token passing ASICS disponibilizado Sim Planejado 4. Referências Bibliográficas 1. Associação Profibus. Tecnologia Profibus PA. Seminário Profibus: Online em: Acesso:04/07/ Spalding, Evan. A Fieldbus Interface to a Telemetry Processor. Online em c /index.html. Acesso: 11/07/ Associação Profibus. Descrição Técnica Profibus. Online em: com.br. Acesso:04/07/ Specification for Foundation Fieldbus System. Online em au/ffeuca/typical_specification/ff_specification.pdf. Acesso: 11/07/ An Open Fieldbus Comparison. Online em Acesso: 11/07/2003.