Instituto Federal de São Paulo Campus Presidente Epitácio Redes e Protocolos Industriais Prof Fernando Barros Rodrigues.

Transcrição

1 HART/4-20mA Atualmente muitas aplicações estão rodando em HART (Highway Addressable Remote Transducer), tendo vantagens com os equipamentos inteligentes e utilizandose da comunicação digital de forma flexível sob o sinal 4-20mA para a parametrização e monitoração das informações. Introduzido em 1989, tinha a intenção inicial de permitir fácil calibração, ajustes de range e damping de equipamentos analógicos. Foi o primeiro protocolo digital de comunicação bidirecional que não afetava o sinal analógico de controle. Este protocolo tem sido testado com sucesso em milhares de aplicações, em vários segmentos, mesmo em ambientes perigosos. O HART permite o uso de mestres: um console de engenharia na sala de controle e um segundo mestre no campo, por exemplo um laptop ou um programador de mão. Em termos de performance, podemos citar como características do HART: Comprovado na prática, projeto simples, fácil operação e manutenção; Compatível com a instrumentação analógica; Sinal analógico e comunicação digital; Opção de comunicação ponto-a-ponto ou multidrop; Flexível acesso de dados usando-se até dois mestres; Suporta equipamentos multivariáveis; 500ms de tempo de resposta (com até duas transações); Totalmente aberto com vários fornecedores; As especificações continuamente são atualizadas de tal forma a atender todas as aplicações. A figura 3 mostra detalhes do sinal HART, sendo que as amplitudes podem variar de acordo com as impedâncias e capacitâncias de cada equipamento e perdas causadas por outros elementos no loop. O HART se utiliza do FSK, chaveamento por mudança de frequência (Frequency Shift keying), onde a frequência de 1200 Hz representa o 1 binário e a de 2200 Hz, representa o 0 binário. Note que estas frequências estão bem acima da faixa de frequências do sinal analógico (0 a 10 Hz) de tal forma que não há interferências entre elas. Para assegurar uma comunicação confiável, o protocolo HART especifica uma carga total do loop de corrente, incluindo as resistências dos cabos, de no mínimo 230 Ohms e no máximo 1100 Ohms. Figura 3 Modulação e sinal HART Equipamentos de campo e handhelds (programadores de mão) possuem um modem FSK integrado, onde via porta serial ou USB de um PC ou laptop pode-se conectar uma estação externamente. A figura 4 mostra uma conexão típica HART de campo.

2 Figura 4 Elementos típicos de uma instalação HART Em uma conexão do tipo ponto-a-ponto, como a da figura 5, é necessário que o endereço do equipamento seja configurado para zero, desde que se use o modo de endereço na comunicação para acessá-lo. Figura 5 Conexão HART ponto-a-ponto Em sistemas considerados grandes, pode-se utilizar-se de multiplexadores para acessar grandes quantidades de equipamentos HART, como por exemplo, na figura 6, onde o usuário deverá selecionar o loop de corrente para comunicar via Host. Nesta situação em cascata, o host pode comunicar com vários equipamentos (mais do que 1000), todos com endereços zero.

3 Figura 6 - Conexão HART via multiplexador Ainda podemos ter rede em multidrop, figura 7. Observe que podem ser ligados no máximo até 15 transmissores em paralelo na mesma linha. Portanto, deve-se assegurar que a tensão da fonte de alimentação seja adequada para suprir a tensão mínima de operação. No modo multidrop a corrente fica fixa em 4mA, servindo apenas para energizar os equipamentos no loop. Figure 7 Conexão HART em Multidrop Cabeamento Utiliza-se um par de cabos trançados onde se deve estar atento à resistência total já que esta colabora diretamente com a carga total, e agindo na atenuação e distorção do sinal. Em longas linhas e sujeitas a interferências, recomenda-se o cabo

4 com shield, sendo este aterrado em um único ponto, preferencialmente no negativo da fonte de alimentação. Padrão de operação O protocolo HART opera segundo o padrão Mestre-Escravo, onde o escravo somente transmitirá uma mensagem se houver uma requisição do mestre. A figura 8 mostra de maneira simples o modelo de troca de dados entre mestre e escravo. Toda comunicação é iniciada pelo mestre e o escravo só responde algo na linha se houve um pedido para ele. Existe todo um controle de tempo entre envios de comandos pelo mestre. Inclusive existe um controle de tempo entre mestres quando se tem dois mestres no barramento. Figura 8 Frame HART A convivência de vários protocolos em uma mesma planta Daqui para frente é esperado que a convivência entre vários protocolos torne-se uma constante, principalmente onde o parque instalado for grande e deseja-se preservar os investimentos feitos. A figura 9 é um exemplo típico de sistema onde se tem em uma mesma planta os protocolos Foundation Fieldbus e HART. Neste caso, uma interface HART-FF (HART Foundation Fieldbus), o HI302, é utilizado, permitindo conexões ponto-a-ponto e multidrop. O HI302 é uma ponte entre equipamentos HART e sistemas Foundation Fieldbus, possui 8 canais HART master e permite ao usuário executar manutenção, calibração, monitoramento de status do sensor, status geral do equipamento, dentre outras informações.

5 Figura 9 - Integração Foundation Fieldbus e HART usando o HI302

6 PROFIBUS A história do PROFIBUS começa na aventura de um projeto da associação apoiado por autoridades públicas, que iniciou em 1987 na Alemanha. Dentro do contexto desta aventura, 21 companhias e institutos uniram forças e criaram um projeto estratégico em fieldbus. O objetivo era a realização e estabilização de um barramento de campo, sendo o requisito básico a padronização da interface de dispositivo de campo. Por esta razão, os membros relevantes das companhias do ZVEI (Associação Central da Indústria Elétrica) concordaram em apoiar um conceito técnico mútuo para manufatura e automação de processos. Um primeiro passo foi a especificação do protocolo de comunicações complexas PROFIBUS FMS (Especificação de Mensagens Fieldbus), que foi preparado para exigência de tarefas de comunicação. Um passo mais adiante em 1993 foi a conclusão da especificação para uma variante mais simples e com comunicação mais rápida, o PROFIBUS-DP (Periferia Descentralizada). Este protocolo está disponível agora em três versões funcionais, o DP-V0, DP-V1 e DP-V2. Baseado nestes dois protocolos de comunicação, acoplado com o desenvolvimento de numerosos perfis de aplicações orientadas e um número de dispositivos de crescimento rápido, o PROFIBUS começou seu avanço inicialmente na automação manufatura e desde 1995 na automação de processos com a introdução do PROFIBUS-PA. Hoje, o PROFIBUS é o barramento de campo líder no mercado mundial. O PROFIBUS é um padrão de rede de campo aberto e independente de fornecedores, onde a interface entre eles permite uma ampla aplicação em processos, manufatura e automação predial. Esse padrão é garantido segundo as normas EN e EN Desde janeiro de 2000, o PROFIBUS foi firmemente estabelecido com a IEC 61158, ao lado de mais sete outros fieldbuses. A IEC está dividida em sete partes, nomeadas a , nas quais estão as especificações segundo o modelo OSI. Nessa versão houve a expansão que incluiu o DPV-2. Mundialmente, os usuários podem agora se referenciar a um padrão internacional de protocolo aberto, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiabilidade, segurança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. Hoje, estima-se próximo de 30 milhões de nós instalados com tecnologia PROFIBUS e mais de 1000 plantas com tecnologia PROFIBUS-PA. São 24 organizações regionais (RPAs) e 35 Centros de Competência em PROFIBUS (PCCs), localizados estrategicamente em diversos países, de modo a oferecer suporte aos seus usuários, inclusive no Brasil, em parceria com a FIPAI na Escola de Engenharia de São Carlos-USP, existe o único PCC da América Latina. No nível de célula, os controladores programáveis, como os CLPs e os PCs, comunicam-se entre si, requerendo, dessa maneira, que grandes pacotes de dados sejam transferidos em inúmeras e poderosas funções de comunicação. Além disso, a integração eficiente aos sistemas de comunicação corporativos existentes, tais como: Intranet, Internet e Ethernet são requisitos absolutamente obrigatórios. Essa necessidade é suprida pelos protocolos PROFIBUS FMS e PROFINet. Existem mais dois tipos de protocolos PROFIBUS, o PROFIBUS-PA e o PROFIBUS-DP.

7 O protocolo Profibus PA é usado na indústria química ou naquelas que possuem áreas classificadas e requerem instrumentos intrinsecamente seguros. Processos que usam PA para serviços H1 podem interoperar com locais Profibus-FMS e Profibus-DP. As comunicações entre redes H1 tipo PA e FMS e DP são manipuladas automaticamente por acopladores de segmento, escolhidos de um grande catalogo de produtos compatíveis. O acoplador de segmento tem as funções de: 1. alimentar os dispositivos PA. 2. adaptar a camada física RS 485 para a camada IEC do PA. 3. adaptar a taxa de transmissão de 12 Mbit/s no lado RS 485 para 31,25 kbit/s no lado PA. Um segmento FMS suporta automaticamente a taxa de dados de 12 Mbit/s da rede DP na mesma fiação. As redes Profibus de alta velocidade não requerem acopladores de segmento porque a camada física é a mesma para cada segmento. O protocolo Profibus fornece o backbone de um sistema de execução de manufatura que entrega tudo de um comportamento determinístico (tempo real) para uma conectividade corporativa. Quando se escolhe o protocolo PA para processo químico, o processo inteiro é controlado em tempo real de um nó FMS. Se o sistema inclui um gateway Internet, este nó pode colher informação ou carregar código de qualquer lugar do mundo. A conectividade entre Profibus e rede de automação corporativa (Ethernet, ATM ou TCP/IP) é conseguida através de vários produtos ponte. Um fator importante no desenvolvimento PA é o reconhecimento que redes intrinsecamente seguras são usadas em áreas classificadas. Este processo não é uma ilha. Seus produtos vão para sistemas que devem ser automatizados em rede de alta velocidade e com instrumentos de uso geral. Para os usuários mundiais do Profibus, H2 é chamado de Profibus FMS e Profibus DP. Os protocolos FMS e DP interoperam em todas as taxas de dados na mesma rede. Hoje há mais de 50 fabricantes participando do mercado Profibus PA (a maioria da Europa, como Siemens, Krohne, Pepperl+Fuchs, Samson, H&B). A interoperabilidade entre Profibus PA e Fieldbus Foundation H1 é esperada, no futuro.

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9 PROFIBUS DP O PROFIBUS DP é a solução de alta velocidade (high-speed) do PROFIBUS. Seu desenvolvimento foi otimizado especialmente para comunicações entres os sistemas de automações e equipamentos descentralizados. Voltada para sistemas de controle, onde se destaca o acesso aos dispositivos de I/O distribuídos. É utilizada em substituição aos sistemas convencionais 4 a 20 ma, HART ou em transmissão com 24 Volts. Utiliza-se do meio físico RS-485 ou fibra ótica. Requer menos de 2 ms para a transmissão de 1 kbyte de entrada e saída e é amplamente utilizada em controles com tempo crítico. PROFIBUS-PA O PROFIBUS PA é a solução PROFIBUS que atende os requisitos da automação de processos, onde se tem a conexão de sistemas de automação e sistemas de controle de processo com equipamentos de campo, tais como: transmissores de pressão, temperatura, conversores, posicionadores, etc. Pode ser usada em substituição ao padrão 4 a 20 ma. O PROFIBUS PA permite a medição e controle por uma linha a dois fios simples. Também permite alimentar os equipamentos de campo em áreas intrinsecamente seguras. O PROFIBUS PA permite a manutenção e a conexão/desconexão de equipamentos até mesmo durante a operação sem interferir em outras estações em áreas potencialmente explosivas. PROFINet O PROFInet é uma rede padronizada pelo PROFIBUS International de acordo com a IEC e a IEC É uma das quatorze redes de Ethernet industrial. Basicamente, há dois tipos de redes PROFInet: PROFInet IO e PROFInet CBA. O PROFInet IO é utilizado em aplicações em tempo real (rápidas) e o PROFInet CBA é utilizado em aplicações onde o tempo não é crítico, por exemplo, na conversão para rede PROFIBUS-DP. O PROFInet é um conceito de automação compreensível que emergiu como resultado da tendência na tecnologia de automação para máquinas reusáveis e modulares em plantas com inteligência distribuída. Suas particularidades atendem pontos-chaves das demandas da tecnologia de automação: comunicação consistente entre os diversos níveis de gerenciamento desde o campo até os níveis corporativos usando Ethernet. uma grande quantidade de fabricantes em um protocolo e sistema aberto; utiliza padrões IT; integração em sistemas PROFIBUS sem mudanças dos mesmos. O PROFInet foi desenvolvido em seu modelamento de forma a proporcionar o acesso às informações de dados via serviços padrões de WEB.

10 O acesso às informações de dados do PROFInet é possível via serviços padrões de WEB.