Identificação de Processos Industriais utilizando tecnologia Foundation Fieldbus

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1 UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA CURSO DE ENGENHARIA DE CONTROLE E AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL Identificação de Processos Industriais utilizando tecnologia Foundation Fieldbus Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511 Projeto de Fim de Curso Gustavo Martins Concer Florianópolis, Outubro de 2005

2 Identificação de Processos Industriais utilizando tecnologia Foundation Fieldbus Monografia submetida à Universidade Federal de Santa Catarina como requisito para a aprovação da disciplina: DAS 5511: Projeto de Fim de Curso Gustavo Martins Concer Florianópolis, Outubro de

3 Identificação de Processos Industriais utilizando tecnologia Foundation Fieldbus Gustavo Martins Concer Esta monografia foi julgada no contexto da disciplina DAS 5511: Projeto de Fim de Curso e aprovada na sua forma final pelo Curso de Engenharia de Controle e Automação Industrial Banca Examinadora: Eng.º Luis Carlos Geron Orientador Empresa Prof. Msc. Agustinho Plucenio Orientador do Curso Prof. Augusto Humberto Bruciapaglia Responsável pela disciplina Prof. Julio Elias Normey Rico, Avaliador Hugo Rocha Barros Vieira de Oliveira, Debatedor Marcelo Pires Adur, Debatedor

4 Agradecimentos Agradeço à Smar Equipamentos Industriais pela oportunidade e condições favoráveis fornecidas ao longo do projeto. Também à Agência Nacional do Petróleo ANP, e da Financiadora de Estudos e Projetos FINEP, por meio do Programa de Recursos Humanos da ANP para o Setor de Petróleo e Gás PRH-34 ANP/MCT. Não poderiam faltar os meus agradecimentos aos orientadores Prof. Daniel Pagano e Prof. Agustinho Plucenio da Universidade Federal de Santa Catarina, e ao Eng. Luís Carlos Geron da Smar. Aos demais colegas do Departamento de Engenharia de Aplicações e do Setor de Desenvolvimento Eletrônico da Smar pelo suporte oferecido ao longo das atividades realizadas. Em especial, gostaria de agradecer à minha família por todo o apoio desempenhado ao longo destes anos de faculdade que possibilitaram o desenvolvimento de todo trabalho relatado neste documento. i

5 Resumo A tecnologia de informação está hoje se popularizando, estando presente no comércio, nos bancos, nos meios de transporte, em nossas casas e na indústria principalmente. Uma tendência atual é a pressão pela padronização exigindo que os fornecedores de tecnologia se adaptem a novas normas e padrões. Os componentes estão evoluindo rapidamente em termos de memória e capacidade de processamento, e o hardware tendo seu custo reduzido. No ramo de controle de processos o uso de redes do tipo Foundation Fieldbus apresenta diversas vantagens que vão a favor desta corrente de especificações. Foundation Fieldbus consiste em uma solução completa para sistemas de controle baseados em redes. Um sistema aberto regido pela Fieldbus Foundation que possui uma linguagem de blocos funcionais padronizada para implementar as funções de controle do sistema. Para tornar este sistema mais abrangente, novos blocos funcionais vêm sendo desenvolvidos como os blocos funcionais para compensação de atraso Transfer Function e Smith Predictor. Este trabalho visa o melhoramento destes blocos com o objetivo de tornar o seu uso mais simples. Para isso foi elaborado um algoritmo de identificação de sistemas de primeira e segunda ordem estáveis, para implementação na empresa como uma nova funcionalidade do bloco Transfer Function, que vai auxiliar o usuário na etapa de configuração do mesmo, além de estimulá-lo no seu uso. ii

6 Abstract The information technology is becoming popular, being present in the commerce, banks, means of transportation and specialy in the industry. A current trend is the pressure for standardization demanding that suppliers conform to the new norms ands standards. Components are quickly improving in terms of memory and processing capacity and hardware having its cost reduced. To the process control branch, the use of Foundation Fieldbus nets brigns a lot of advantages that are in behalf of actual specifications chain. Foundation Fieldbus is a complete solution for nets based control systems. An open system, conducted by the Fieldbus Foundation, that has a language of standardized function blocks to implement all control functions of the system. New function blocks have been developed in order to make the tecnology more complete, like the ones for delay compensation as the Transfer Function and Smith Predictor block. This work aims at the improvement of these blocks and the objective is to make its use simpler. A system identification algorithm for first and second order stable plants was elaborated to do this. It will be implementated in the company as a new functionality of the Transfer Function block, that will assist the user in the stage of block configuration and stimulate its use. iii

7 Sumário Agradecimentos...i Resumo... ii Abstract... iii Sumário... iv Capítulo 1: Introdução : O Programa de Formação de Recursos Humanos : A Empresa : A Metodologia de trabalho...6 Capítulo 2: Funcionamento de uma rede do tipo Foundation Fieldbus : Arquitetura de uma Rede Foundation Fieldbus : Blocos de Função (Function Blocks) : O Protocolo : Camada Física : Camada de Enlace de Dados (DLL Data Link Layer) : Camada de Aplicação : Camada de Usuário : Configurando uma rede Foundation Fieldbus : Os Blocos Funcionais Transfer Function e Smith Predictor : Transfer Function : Smith Predictor : Estratégia para compensação de atraso : Vantagens da tecnologia...28 iv

8 Capítulo 3: Conceitos sobre Identificação de Processos Monovariáveis com Modelos Lineares : Introdução : Técnicas de Identificação : Estimador dos Mínimos Quadrados Não Recursivo : Estimador do Mínimos Quadrados Recursivo : Validação do Modelo...40 Capítulo 4: O Algoritmo de Identificação proposto : A Tecnologia OPC : O Algoritmo : Método Não Recursivo x Método Recursivo : Ensaio de Identificação : Etapa de Pré-Teste : Etapa de Identificação : Implementação da Validação : Transformada S : Proposta de Bloco Funcional...52 Capítulo 5: Identificação com blocos já existentes na tecnologia Foundation Fieldbus : O Bloco Flexible Mathematical : A Estratégia : Operações : Configuração dos Blocos...56 Capítulo 6: Resultados e Discussão : Resultados de Simulação : Planta de Primeira Ordem : Planta de Segunda Ordem...66 v

9 6.2: Resultados Reais : Processo de Vazão com inserção de Atraso : Processo de Temperatura...74 Capítulo 7: Conclusões e Perspectivas...78 Bibliografia:...80 vi

10 Capítulo 1: Introdução Em tempos onde a competitividade dita o ritmo de desenvolvimento das empresas e a complexidade dos processos de produção exige cada vez mais da instrumentação encontrada nas plantas industriais, muitas tentativas de modernização em busca de mais eficiência podem ser visualizadas. Pode-se notar atualmente o surgimento de muitas alternativas tecnológicas com o objetivo de suprir a demanda por novas funcionalidades ou melhores características de operação dos sistemas industriais de produção. Com o setor petrolífero não é diferente. A tecnologia de redes para o controle de processos é uma alternativa hoje bastante freqüente nestas plantas industriais, possibilitando integração entre os dispositivos componentes destes sistemas que podem operar conjuntamente. A comunicação, antes predominantemente analógica, vai migrando para sistemas digitais permitindo maior quantidade de informação tratada, as mais variadas funções de controle e supervisão executadas, além da considerável redução de hardware que a comunicação digital permite. Figura 1 Fieldbus é uma tecnologia inovadora em automação Uma destas redes de controle é a do tipo Foundation Fieldbus [1]. Esta é a rede encontrada no projeto da Automação de um Sistema de Separação de Petróleo realizado pela empresa Smar em parceria com a empresa contratante do serviço. A função principal de um separador por gravidade é disponibilizar as três fases do petróleo (água, óleo e gás) vindo do poço, da forma mais pura possível. Um dos desafios enfrentados neste projeto foi a compensação de atraso de transporte 1

11 necessária ao controle do processo de injeção de desemulsificante existente no separador. A injeção de desemulsificantes é feita com o intuito de reduzir a emulsão formada pela mistura entre água e óleo durante o processo de elevação do petróleo para a plataforma que dificulta o controle de nível no separador. O atraso existe pois há um tempo morto entre a injeção do desemulsificante e a conseqüente medição de redução do percentual de água no óleo dentro do separador. Figura 2 - Visão Geral de um Separador trifásico por gravidade O efeito prejudicial do atraso em um sistema de controle pode ser entendido a partir do seu conceito. Segundo [11], a técnica de controle consiste em três passos: Medir a variável a controlar; Comparar o valor medido com o valor desejado e; Agir no sistema no sentido de diminuir a diferença entre ambos os valores. Um exemplo é o processo de controle de temperatura de água (Figura 3), onde a variável controlada a ser medida é a temperatura da água aquecida. O valor desta temperatura é comparado com a temperatura desejada para a água e uma ação sobre a válvula de controle de vapor que aquecerá a água é tomada neste sentido. Figura 3 Controle de temperatura 2

12 A presença de um tempo morto entre a atuação (abertura ou fechamento da válvula de vapor) e a medição do efeito desta ação (aumento ou redução da temperatura) neste processo, consiste na demora da temperatura começar a reagir a uma variação no sinal de abertura da válvula de vapor. Isto é ruim para o sistema de controle pois a ação de abrir a válvula de vapor não provocará efeito imediato de aumento de temperatura fazendo com que o sistema de controle forneça uma abertura maior do que a necessária à válvula. Após o tempo morto, a temperatura começará a aumentar e provavelmente aumentará mais do que o desejado e as ações de controle posteriores tornarão o sistema oscilatório ou até instável. Uma maneira de lidar com o atraso de transporte é tentar compensá-lo de forma a poder controlar o processo como se o atraso não estivesse presente. Muitos processos ligados à área do petróleo, por se tratarem de processos envolvendo transporte de matéria ou energia, apresentam esta característica. Quando este atraso é considerável, o controle fica dificultado, exigindo o uso de estruturas especiais de controle para compensação do atraso. A teoria clássica apresenta a estrutura do Preditor de Smith como solução para este problema. Figura 4 - Diagrama de Blocos do Preditor de Smith Em vista disso, a empresa providenciou o desenvolvimento de novas funcionalidades ao seu sistema de controle do tipo Foundation Fieldbus através da criação de novos blocos funcionais dentro da filosofia da tecnologia. Este trabalho foi realizado por um bolsista egresso do programa de formação de recursos humanos da ANP durante a realização de seu projeto de fim de curso [8] na empresa e originou a necessidade do desenvolvimento do trabalho relatado neste presente documento. 3

13 Duas novas funcionalidades foram criadas: um bloco para representação de funções de transferência no domínio freqüencial s e outro para implementar estrutura semelhante à do Preditor de Smith. Assim seria possível disponibilizar esta alternativa de controle para outros projetos futuros que necessitassem de uma solução como esta. No entanto, a estrutura do Preditor de Smith requer para seu funcionamento, um conhecimento adequado dos parâmetros matemáticos que compõe a função de transferência, que representa o modelo do processo a ser controlado. Este reconhecimento se faz através da modelagem matemática destes sistemas, ou geralmente, através de ensaios de identificação realizados em procedimento de partida dos mesmos. O objetivo do presente trabalho é, portanto, o estudo de uma técnica de identificação de processos industriais monovariáveis que possa ser aplicada para suporte ao uso dos dois blocos criados e venha a estimar de forma automática os coeficientes da função de transferência do processo necessária ao Preditor. Será estudada então a viabilidade de implementar uma técnica como esta na forma de uma nova funcionalidade à tecnologia. Um desenvolvimento como este é muito importante pois se sabe que no setor industrial muitas vezes nem todas as pessoas que operam os processos de produção têm conhecimento de estruturas avançadas como o Preditor de Smith e representações de processos como funções de transferência. Assim, tudo que venha a simplificar o trabalho, desta forma com a automação da tarefa de identificação é de muita utilidade ao setor. Para o cumprimento do trabalho, as disciplinas da área de controle de processos do Curso de Engenharia de Controle e Automação foram de grande utilidade para elaboração do algoritmo de identificação. Além destas, as disciplinas de Redes de Computadores e Instrumentação para Controle e Automação foram bastante úteis para o entendimento da tecnologia utilizada no trabalho. Muito importante também foram os conceitos adquiridos ao longo das disciplinas de especialização, cursadas no programa de formação de recursos humanos PRH 34, que propiciaram um contato inicial direto com a instrumentação utilizada na pesquisa e muito freqüente em diversos segmentos da indústria. 4

14 1.1: O Programa de Formação de Recursos Humanos Este trabalho está inserido no último período dentro da grade curricular do curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Santa Catarina e também no último período da etapa de especialização dentro do programa de formação de recursos humanos da ANP. O PRH-34 é um dos muitos programas acadêmicos financiados pela ANP FINEP, que se destina a formar Engenheiros nas áreas de Automação, Controle e Instrumentação do setor de Petróleo e Gás. Para a Engenharia de Controle e Automação Industrial, o programa tem a missão de propiciar ao engenheiro uma formação complementar que forneça conhecimentos a respeito das indústrias do petróleo e gás, evidenciando as características diferenciadas dos processos deste tipo de indústria. Pretende-se também disponibilizar uma formação específica em sistemas de controle, automação, instrumentação e informática industrial particulares destas indústrias, fornecendo conhecimentos básicos necessários para a participação em atividades de Pesquisa e Desenvolvimento nesta área. O PRH-34, através de seus projetos e parcerias com o setor industrial vem propiciando a realização de estágios curriculares a seus integrantes como este realizado na empresa SMAR Equipamentos Industriais. 1.2: A Empresa A SMAR Equipamentos Industriais foi fundada em 1º de abri de 1974 com objetivo de prestar serviços de campo para turbinas à vapor da indústria açucareira brasileira. Seus co-fundadores Sr. Mauro Sponchiado e Sr. José Martinussi aproveitaram seus sobrenomes para formar o nome da empresa. A sua matriz encontra-se instalada na cidade de Sertãozinho SP com filiais espalhadas estrategicamente pelo Brasil e escritórios em diversos países do mundo. A empresa continuou prestando serviços de manutenção em turbinas à vapor até Foi quando a indústria açucareira começou a utilizar as novas turbinas a vapor com reguladores de velocidade eletrônicos. 5

15 Não habituada a trabalhar com eletrônica, buscou assessoramento. O Sr. Edmundo Gorini e seus colegas Paulo Lorenzato e Carlos Liboni aceitaram o convite de tornarem-se sócios da Smar. Logo em seguida, Sr. Caldeira, também um engenheiro, integrou-se a empresa. Este foi o início de uma nova era para a empresa. Nessa época, a empresa era composta por 13 pessoas, sendo 10 sócios e 3 funcionários. A prestação de serviço em turbinas à vapor proporcionou o capital para os trabalhos iniciais de Pesquisa e Desenvolvimento. A empresa cresceu rapidamente, impulsionada por uma iniciativa bem sucedida do governo federal, o Pró-álcool, que visava substituir a gasolina por álcool como combustível de veículos automotores. Em 1981, com o decréscimo dos investimentos na indústria sucro-alcooleira, a empresa decidiu partir para o projeto de uma linha de instrumentos para controle de processos. Essa decisão foi bem sucedida e a empresa continuou crescendo. Em 1986, com seu contínuo crescimento no mercado nacional, a empresa buscou se expandir no mercado internacional. Após testar os novos produtos no mercado brasileiro, a SMAR incrementou seus esforços de venda, inicialmente nos Estados Unidos, a partir de 1989, e depois na Europa, a partir de Em 1988 a SMAR tornou-se o maior fabricante de instrumentos para controle de processos no Brasil. Atualmente, mais de um terço da produção da empresa são vendidos no mercado internacional. Como o mercado mundial para produtos como os que a SMAR produz movimenta mais de 5 bilhões de dólares por ano, a empresa tem enormes possibilidades para continuar a crescer ao longo dos próximos anos. 1.3: A Metodologia de trabalho Nos próximos capítulos serão apresentados de início uma introdução à tecnologia de Redes do tipo Foundation Fieldbus assim como os conceitos básicos para entendimento deste documento. A seguir serão passados os conceitos de identificação de processos assim como as duas técnicas de identificação estudadas ao longo do trabalho. É reservado um capítulo para o algoritmo de identificação proposto neste trabalho assim como os testes executados com o mesmo. Por fim são apresentados uma solução em identificação feita com os recursos já existentes na tecnologia e os resultados que comprovam a viabilidade de implementação de 6

16 mais uma nova funcionalidade à tecnologia. Ao final de tudo as conclusões e perspectivas futuras são discutidas. 7

17 Capítulo 2: Funcionamento de uma rede do tipo Foundation Fieldbus. A tecnologia Foundation Fieldbus [1] consiste em um protocolo de comunicação serial digital bidirecional. O fato de ser bidirecional significa que os equipamentos conectados a rede desempenham papel de emissor e receptor de dados embora não simultaneamente. A utilização de dispositivos de campo (transmissores, posicionadores, etc) com processadores embarcados também permite que os mesmos desempenhem funções de controle tornando possível implementar controle distribuído. Foundation Fieldbus é essencialmente uma rede local (LAN) para os dispositivos de campo. Embora se trate de um protocolo complexo, o conhecimento completo de como a tecnologia funciona internamente não é fundamental para o seu uso, pois os fabricantes tipicamente o implementam de tal forma a aparecer transparente aos usuários. Entretanto, o desenvolvimento de projetos que utilizem esta tecnologia exige treinamento por parte dos projetistas. 2.1: Arquitetura de uma Rede Foundation Fieldbus Uma rede fieldbus admite dois níveis físicos em sua arquitetura. O nível H1 e o nível HSE. O primeiro opera com velocidade de 31,25 Kbit/s e efetua a conexão entre os equipamentos encontrados no chão de fábrica (atuadores, sensores e dispositivos de entrada e saída I/O). O nível superior ao H1, conhecido como HSE (High Speed Ethernet), opera a uma taxa de 100 Mbits/s, e é quem liga o nível H1 às estações de operação, aos controladores mais rápidos como CLP s além de permitir a conexão entre diferentes níveis H1. Há um dispositivo responsável pela ligação entre os dois níveis H1 e HSE que é conhecido como Linking Device e desempenha o papel de ponte entre os mesmos. A topologia de uma rede fieldbus pode ser vista na Figura 5. No sistema desenvolvido pela SMAR, quem desempenha o papel da ponte é um instrumento denominado DFI que também exerce a função de LAS. O papel do LAS dentro da rede fieldbus é descrito na seção 2.3 deste mesmo capítulo. 8

18 Figura 5 - Topologia de uma rede fieldbus Figura 6 - Detalhe da conexão dos dispositivos ao barramento do canal H1 da rede fieldbus 2.2: Blocos de Função (Function Blocks) A base fundamental para implementar a distribuição das funções de controle ao longo dos equipamentos em campo é uma entidade chamada bloco, que representa uma função ou algoritmo como, por exemplo, um controlador PID, um integrador, entrada ou saída analógica, entrada ou saída discreta, etc. Por essa razão a tecnologia é normalmente chamada de tecnologia orientada a blocos ou Block Oriented Technology. Todo bloco é composto por um conjunto de parâmetros e um algoritmo associado. Os parâmetros são classificados como: - parâmetros de Entrada, que fornecem dados para o algoritmo; 9

19 - parâmetros de Saída, que representam o resultado do processamento, ou - parâmetros Contidos para todas as outras funções que não sejam troca de dados entre blocos. Nesta tecnologia, toda e qualquer aplicação de usuário é baseada em blocos funcionais, cuja interface e comportamento são definidos na norma que regulamenta o padrão Foundation Fieldbus e definem uma linguagem universal para descrição de aplicações de controle de processos e automação. A Fieldbus Foundation definiu um conjunto básico de parâmetros usados por qualquer bloco, chamados parâmetros universais. Foram definidas também classes de blocos, por exemplo, blocos de entrada, de saída, de controle e de cálculo, sendo que cada uma destas classes tem um grupo de parâmetros padrão. Assim, atualmente existe uma série de blocos dentro da biblioteca padrão da tecnologia tornando possível que fabricantes adicionem funcionalidades aos blocos já existentes ou mesmo desenvolvam novos blocos. Estas opções estão previstas em norma. A SMAR, como líder mundial em FIELDBUS trabalha com um contínuo desenvolvimento de blocos funcionais para dar a tecnologia uma abrangência cada vez maior no ramo de controle de processos. Na seção seguinte serão passados mais detalhes a respeito dos blocos funcionais assim como detalhes do protocolo do sistema. 2.3: O Protocolo O protocolo utilizado em redes fieldbus é baseado no modelo de referência OSI definido na norma ISO O modelo OSI é composto de um conjunto de 7 camadas, cada uma desempenhando uma série de funções, que pode ser visto na Figura 7. As mensagens transmitidas vão passando por estas camadas sendo que cada uma fica responsável por uma parcela da informação contida nas mesmas. Assim, por exemplo, as camadas dos dispositivos que estão emitindo a informação adicionam pedaços à mensagem original que serão captados pelas camadas correspondentes dos dispositivos receptores. 10

20 Figura 7 - Modelo OSI aplicado em tecnologias fieldbus A maioria dos protocolos de redes industriais como Profibus, Hart, assim como Foundation Fieldbus não implementam todas estas 7 camadas. Protocolos no nível do campo, como o FOUNDATION H1, usualmente só implementam as camadas 1, 2 e 7. No caso específico do FOUNDATION H1 há ainda uma camada de usuário não presente no modelo de referência OSI. Já os protocolos de níveis superiores como o FOUNDATION HSE implementam além destas, as camadas 3 e 4. Comparado com o modelo de referência OSI, as 4 camadas do nível H1 são assim mapeadas: - a camada física é a camada 1 do modelo OSI; - a camada de enlace de dados é a camada OSI 2; - a camada de aplicação é a camada OSI 7 ; - a camada de aplicação de usuário não é definida no modelo OSI. O nível HSE se diferencia do anterior adotando o padrão Ethernet para implementar as camadas 1 e 2 do modelo OSI, o protocolo de internet (IP) empregado na camada 3 e ainda o User Datagram Protocol (UDP), para a camada 4. Para que seja possível a comunicação entre diferentes tipos de instrumentos dentro de uma rede é necessário que todas as camadas citadas sejam implementadas da mesma maneira fazendo com que estes instrumentos sejam compatíveis entre si. No entanto, a característica marcante de interoperabilidade da tecnologia fieldbus se faz graças ao nível de detalhamento especificados nas suas 11

21 camadas de aplicação e de usuário. Neste protocolo não se especifica somente como os dados são transmitidos, mas sim toda a semântica, isto é, todo o significado destas informações. A seguir serão detalhadas as quatro camadas presentes no nível H1 da rede fieldbus. O funcionamento das camadas do nível HSE, por se tratarem de padrões bastante comuns, não será descrito neste documento : Camada Física A camada física define o formato no qual os dados serão fisicamente transmitidos ao longo do meio de comunicação. Esta camada não executa nenhum tipo de interpretação dos dados, apenas recebe as mensagens da camada de enlace de dados e as converte em sinais físicos a ser transmitidos pelo barramento fieldbus, também efetuando o caminho contrário passando as mensagens à camada seguinte. Estas conversões incluem ações como adição e remoção de preâmbulos, de delimitadores iniciais e finais das mensagens transmitidas. O preâmbulo é transmitido no começo da mensagem e utilizado com o objetivo de acordar os demais dispositivos da rede fazendo com que os mesmos possam sincronizar seus relógios internos com o sinal a ser recebido. O delimitador de início denota o fim do preâmbulo e o começo da mensagem propriamente dita indo para ou vinda da camada de enlace de dados que termina com o delimitador final. Figura 8 - Formato dos dados da camada física : Codificação dos sinais Os sinais fieldbus utilizam a codificação Manchester bifásica do tipo L. São sinais síncronos seriais, pois misturam informação de temporização (clock) com 12

22 dados em um mesmo sinal como mostra a Figura 9. As mensagens podem ser transmitidas de forma contínua sendo que os bits de dados 0 e 1 são codificados como transições de subida e descida respectivamente. Nas transmissões, os bits são convertidos nas correspondentes transições, enquanto que nas recepções se faz o procedimento reverso. Figura 9 - Codificação Manchester Bifásica do tipo L Os sinais na codificação Manchester são transmitidos pela modulação de corrente com amplitude aproximada de 10 ma. Como a rede possui um módulo de impedância de 50 ohms entre os dispositivos e a alimentação, é criada uma tensão de 1 volt pico a pico modulada sobre a componente DC da tensão de alimentação : Camada de Enlace de Dados (DLL Data Link Layer) Esta camada, imediatamente superior à camada física, desempenha 3 funções em destaque. Primeiro, é ela quem controla quando e por quanto tempo um dispositivo ganha o acesso a rede de forma a evitar conflitos entre os diversos dispositivos que desejam transmitir dados simultaneamente. Ainda efetua o endereçamento para garantir que a mensagem chegue ao seu correto destino. Por fim, a camada é também responsável pela detecção de erros possíveis nas transmissões de dados. 13

23 : LAS (Agendador de Link Ativo) No padrão Foundation Fieldbus, qualquer dispositivo pode iniciar comunicação desde que o mesmo possua este direito. Este controle a respeito da distribuição de quem possui o direito ao longo do tempo é efetuado pelo LAS (Agendador do Link Ativo). O LAS é geralmente desempenhado pela ponte do sistema conforme citado no item da arquitetura da rede, embora seja possível configurar alguns dispositivos de campo como transmissores ou atuadores para desempenhar o papel de LAS caso ocorra uma falha nestas pontes permitindo a continuação da comunicação e garantindo confiabilidade e redundância ao sistema. Figura 10 - DFI-302: A solução SMAR para as pontes das redes Fieldbus : Comunicação gerenciada e não gerenciada Existem dois tipos de comunicação tratados na camada de enlace de dados: A comunicação gerenciada (tráfego foreground) e a comunicação não gerenciada (tráfego background). Os dados comunicados com baixa freqüência são transmitidos de forma acíclica utilizando a comunicação não gerenciada. Nesta comunicação os dispositivos recebem permissão do LAS através de um mecanismo de fichas (pass token). Uma vez que o dispositivo tem a posse desta ficha ele pode enviar suas mensagens até que ele termine ou se esgote o tempo máximo de posse da ficha. Exemplos da comunicação acíclica são leitura ou escrita de dados por parte de uma estação de operação da rede. A forma de comunicação gerenciada tem maior prioridade dentro da rede. Os dados que necessitam de comunicação periódica são transmitidos desta forma. Incluem-se, por exemplo, as informações das variáveis pertencentes aos laços de controle dos sistemas que necessitam de comunicação constante. Neste caso, o LAS possui uma espécie de agenda onde são especificados quando os dados dos 14

24 dispositivos devem ser transmitidos. Para isso o LAS transmite uma mensagem de requisição CD (Compel Data) para o dispositivo fazendo com que o mesmo publique esta informação na rede. Torna-se necessário neste momento definir alguns itens importantes presentes na tecnologia Foundation Fieldbus como os conceitos de macrocycle e live-list : O macrocycle O macrocycle é o período em que toda a parte cíclica se repete na rede. Dentro deste período estão inclusos o tempo escalonado para as informações cíclicas (tráfego foreground) e também os tempos destinados a atividades acíclicas como de manutenção, supervisão, configuração, etc (tráfego background). Pode-se entender como um tempo no qual todos os dispositivos têm suas variáveis atualizadas na rede. No âmbito dos sistemas de controle pode-se caracterizar o macrocycle como o período de amostragem do sistema sendo que não é possível ter dentro de um mesmo macrocycle valores diferentes para uma mesma variável de controle. Figura 11 - Ilustração do macrocycle da rede : Live-List O conceito de live-list se refere à lista dos dispositivos presentes na rede Foundation Fieldbus. O LAS mantém esta lista atualizada através do envio de 15

25 mensagens periódicas à endereços não utilizados com o objetivo de identificar novos equipamentos na rede. Figura 12 - Live-List da rede : O controle de Erros A detecção de erros efetuada nesta camada se dá pela transmissão de um Frame Check Sequence (FCS) na mensagem gerada pelo emissor. No dispositivo receptor, o FCS que chega é comparado com um FCS calculado internamente para fins de checagem : Camada de Aplicação A camada de aplicação é a camada responsável pela interoperabilidade oferecida pelas tecnologias fieldbus. É nesta camada que os tipos de dados e objetos são definidos. Para formar objetos de dados mais complexos, são combinados alguns dos 13 tipos simples de dados definidos. A camada de aplicação das redes do tipo Foundation consiste de duas subcamadas: a Fieldbus Access Sublayer (FAS) e a Fieldbus Message Specification (FMS). O Fieldbus Access Sublayer (FAS) utiliza as características da camada de enlace de dados (DLL) para fornecer serviços ao Fieldbus Message Specification (FMS) na forma de Virtual Communication Relationships (VCR), ou seja relações virtuais de comunicação. Existem 3 tipos básicos de VCRs: 16

26 O modelo publisher/subscriber VCR é utilizado para publicações cíclicas de saídas de blocos funcionais que são subscritas em entradas de outros blocos. Este tipo de comunicação é buferizada de forma que quando um bloco funcional gera novo valor de saída, este valor sobrescreve o anterior. O segundo tipo de comunicação é o report distribution VCR, utilizado para transmissões acíclicas como alarmes, notificações de eventos para a estação de operação. Nesta comunicação os eventos são enviados em ordem determinada por prioridade e data de ocorrência e não sobrescrevem eventos anteriores. A última forma é o modelo client/server VCR para transmissões acíclicas como leitura e escrita de parâmetros nos dispositivos e download de configuração da estação de operação. Este modelo também não sobrescreve requisições anteriores : Foundation Object Dictionary (OD) O protocolo Foundation é orientado a objetos, isto é, a informação dentro dos equipamentos da rede é acessada desta forma. Na subcamada FMS, os parâmetros dos blocos funcionais, para configuração dos dispositivos e construção de estratégias, são representados por objetos e listados em um dicionário. Assim cada objeto é identificado por um index, ou seja, todos os blocos funcionais e seus parâmetros possuem um index. Como alguns parâmetros são ainda subdivididos em elementos para guardar mais de uma informação, todos estes elementos possuem um subindex. O dicionário de objetos mapeia os dados reais contidos na memória de cada equipamento fieldbus e os tipos de dados dos parâmetros dentro dos blocos de função. No entanto, os usuários não têm acesso direto aos endereços de memória dos equipamentos, assim como aos VFDs ou indexes, interagindo apenas com os tags e nomes dos parâmetros dos blocos. Os Tags são nomes dados aos blocos funcionais, pelos usuários, dentro da sua aplicação com o objetivo de identificá-los na rede. Assim como os blocos, cada parâmetro tem seu nome que é uma composição do tag do instrumento, no qual está inserido, mais o tag do bloco e o nome do parâmetro em questão. 17

27 : Foundation Virtual Field Device (VFD) VFD é uma subdivisão lógica da informação contida nos dispositivos Foundation Fieldbus, isto é dispositivos virtuais menores dentro do equipamento físico. Cada equipamento Foundation consiste de pelo menos 2 VFDs, o primeiro contém o gerenciamento do sistema (SM, System Managment) e da rede (NM, Network Managment). O segundo é utilizado para acesso aos blocos funcionais da aplicação (FBAP, Funcion Block Aplication Process). Na Figura 13, pode-se observar a presença dos dois principais VFDs de um dispositivo fieldbus. Figura 13-2 principais VFDs de um dispositivo fieldbus : Serviços de Comunicação É a subcamada FMS quem provê a série de serviços como leitura, escrita, e acesso a objetos. Existem ao todo 7 grupos de serviços destinados a diferentes tipos de objetos. Entre eles estão serviços como gerenciamento de VFDs, gerenciamento do dicionário de objetos, acesso (leitura/escrita) a objeto de blocos 18

28 funcionais, download / upload de dados em áreas específicas da memória dos dispositivos, estabelecimento de conexões, invocação de programas dentro dos dispositivos, etc : Camada de Usuário A camada de usuário, também conhecida como camada de aplicação de usuário (User Application Layer), é onde a verdadeira funcionalidade do sistema acontece. É nesta camada que os transmissores medem, posicionadores atuam, e usuários interagem com a rede. É este o nível onde os formatos de dados e sua semântica são definidos permitindo que os dispositivos fieldbus possam entender os dados e atuar de acordo com o desejado pela aplicação. As redes do tipo Foundation têm uma camada de aplicação de usuário orientada a objetos que se baseia nos blocos funcionais previamente citados neste documento. Estes blocos são distribuídos entre os instrumentos na rede. Dentro de cada instrumento, os blocos ficam contidos em uma Function Block Application Process (FBAP) alocada em uma VFD : Foundation Block Objects Uma FBAP é dividida em duas partes: um processo de aplicação do dispositivo (DAP) e um processo de aplicação de controle (CAP). A DAP contém os blocos responsáveis pela configuração dos dispositivos e a CAP, os blocos funcionais que irão implementar a estratégia de controle da aplicação. Os blocos Foundation Fieldbus se classificam em três tipos: Resource Block: É padronizado e há apenas um em cada VFD. Ele descreve as características gerais do equipamento tais como fabricante, tipo, versão, dentre outras. Transducer Block (Bloco Transdutor): São eles que conectam os blocos funcionais ao mundo externo, cuidando de detalhes relativos ao hardware de cada equipamento como calibração do sensor, tipo do sensor, diagnóstico, faixa de operação, etc. Function Blocks (Blocos Funcionais): Representam as funções ou algoritmos a ser executados pelo sistema, como por exemplo, medir, atuar, calcular. 19

29 As aplicações de controle são construídas com o uso destes tipos de blocos funcionais. Isto inclui tanto a configuração dos blocos resource e transducer como a configuração e manipulação das entradas e saídas dos blocos funcionais propriamente ditos para a criação das estratégias de controle : Foundation Link Objects Os blocos funcionais propriamente ditos podem ser conectados entre si de forma a trocar informações e formar as estratégias. Estas conexões recebem a denominação de links e são efetuadas entre as entradas e saídas dos blocos. Além dos Blocks e Link Objects, existem outros tipos de objetos como Trend Objects para armazenar histórico de variáveis e Alarm Objects para reportar alarmes e eventos às estações de operação : Foundation Device Description (DD) A descrição de um equipamento Foundation Fieldbus é feita através de dois arquivos conhecidos como Device Description (DD) e Capability File (CF). O DD descreve todos dados do equipamento enquanto que o CF contém as informações a respeito da comunicação do mesmo. Ambos os arquivos são escritos e fornecidos pelos fabricantes. 2.4: Configurando uma rede Foundation Fieldbus A configuração de uma rede objetivando a criação do sistema de controle de um processo é feita com o uso de um programa configurador. Este programa é geralmente baseado em PC e é instalado na estação de operação do sistema, mostrada anteriormente na Figura 5, onde se observa a topologia da rede. O programa se comunica com os equipamentos do nível H1 da rede através de uma interface Foundation Fieldbus (PCI) ou de um Linking Device. No caso do Linking Device esta comunicação é via Ethernet e o instrumento que faz esta ponte é o componente DFI302, Ponte Universal Fieldbus presente no sistema System 302 da empresa SMAR. 20

30 O programa configurador presente no SYSTEM 302 da SMAR é o SYSCON cujo ambiente pode ser visualizado nas próximas figuras. No programa configurador, o usuário deve configurar a rede assim como a estratégia de controle e os dispositivos presentes na rede. Esta ferramenta permite a criação de estratégias em modo off-line, ou seja, as informações são armazenadas em uma base de dados não nos instrumentos. A idéia é que, em um momento inicial, - estágio de desenvolvimento de uma solução de controle para um processo - a configuração seja off-line para que, depois de pronta, seja carregada em um procedimento conhecido como Download, onde as informações serão armazenadas nos instrumentos. A partir daí, a ferramenta também permite fazer alterações em modo on-line. Por razões de segurança, somente algumas alterações podem ser realizadas em modo on-line como mudanças de parâmetros. Alterações mais consideráveis só podem ser realizadas off-line e depois carregadas novamente. Na etapa de configuração off-line, estão inclusos os aspectos físicos e lógicos da aplicação. Primeiro o programa configurador cria a rede fieldbus. A partir daí, a configuração se divide em duas partes: configuração da Área 1 e da Fieldbus Networks. Figura 14 - Áreas Física e Lógica de uma rede Foundation Fieldbus A área Fieldbus Networks é onde se configura a rede fisicamente. Nesta parte são selecionados os instrumentos que farão parte da aplicação. Assim cada instrumento recebe um nome (tag). Este tag é depois associado a um número de identificação do dispositivo (ID) para que o instrumento possa ser identificado na aplicação através do seu tag. Na Figura 15 mostra-se também a possibilidade de escolha de instrumentos de diversos fabricantes pertencentes a Fieldbus Foundation. 21

31 Figura 15 - Inserção de novo instrumento na rede Depois de adicionados todos os dispositivos, o usuário deve adicionar todos os blocos funcionais a cada instrumento de acordo com a necessidade da aplicação. Nesta etapa deve ser respeitado o fato de que todos os instrumentos devem possuir os blocos fundamentais como: resource, transducer e display (responsável pela formatação da informação mostrada no display do instrumento). É neste momento que o usuário escolhe também os tags dos blocos. Por fim todos os blocos devem ser configurados o que inclui setar uma série de parâmetros contidos nos mesmos para que as funções desejadas sejam executadas corretamente. Na Figura 13 mostrada anteriormente pode se observar os blocos instanciados nos dispositivos da rede. Na Área 1 é realizada a criação da estratégia de controle propriamente dita, ou seja a modelagem lógica do sistema. Nela os blocos funcionais do terceiro tipo (conforme seção 2.3.4), que contém entradas e saídas e podem ser conectadas, são arrastados da área física para a lógica. Este arraste é um procedimento bastante simples onde o programa configurador oferece uma maneira bastante agradável de programação. Assim, as conexões são feitas e as estratégias implementadas. Um exemplo de controle PID tradicional pode ser visto na Figura

32 Figura 16 - Estratégia com blocos funcionais conectados Vale ressaltar que as conexões podem ser feitas entre blocos contidos no mesmo dispositivo ou mesmo entre blocos de diferentes equipamentos. Por exemplo, em um controle PID tradicional de nível, um bloco PID e um bloco Analog Input são instanciados em um transmissor de nível e um bloco Analog Output em uma válvula para atuação. Depois de finalizada a etapa de configuração off-line o download da mesma é efetuado. No download, toda a configuração é passada aos equipamentos de campo de acordo com a rede criada. No modo on-line é possível monitorar o andamento do processo com os valores dos parâmetros disponíveis em tempo real. Entre as alterações permitidas neste modo, está a mudança nos valores de alguns parâmetros como setpoints, e parâmetros de controladores. O que não se permite, no entanto, é fazer nenhuma alteração nas conexões entre os blocos, ou seja, na estratégia. 2.5: Os Blocos Funcionais Transfer Function e Smith Predictor Os blocos criados para implementar o preditor de Smith, de onde surgiu a necessidade de uma identificação automática de processos se encaixam no grupo dos blocos funcionais (Function Blocks) que fazem parte da estratégia de controle do sistema. Como exemplos destes blocos temos: 23

33 Analog Input: Utilizado para representação de entradas analógicas provenientes de transmissores de pressão, temperatura, densidade, etc. Discrete Input: Representa um sinal de entrada discreto vindo por exemplo de um cartão de entradas discretas. Analog Output: Utilizado para sinais analógicos de saída dos atuadores Fieldbus como posicionadores de válvula, conversores de sinal digital em corrente (4-20mA), etc. Discrete Output: Sinais de saída discretos utilizados, por exemplo para interligar a lógica de controle analógico fieldbus com instrumentos de operação discreta como bombas, válvulas solenóide, etc. PID: Bloco funcional que executa a funcionalidade do controlador clássico PID para controle de processos. Arithmetic: Permite executar uma série de operações aritméticas, previamente programadas, entre os sinais de uma estratégia de controle. Figura 17 - Esquemático do Bloco Funcional PID com suas entradas, processamento e saídas Estes são apenas alguns dos blocos funcionais, parte da tecnologia. Entre os muitos blocos, os dois blocos Transfer Function e Smith Predictor [8] serão explicados mais em detalhe para melhor entendimento do corrente projeto. 24

34 2.5.1: Transfer Function O bloco Transfer Function tem como finalidade representar modelos matemáticos de sistemas de até segunda ordem, através de parâmetros internos nomeados de A, B, C, D, E e F como os coeficientes de uma função de transferência do tipo: 2 As + Bs + C 2 Ds + Es + F Possui uma entrada para conexão da variável de atuação do processo representado (variável manipulada) e uma saída gerando o sinal de saída do processo. O bloco foi construído de modo que o usuário da aplicação edite uma função de até segunda ordem contínua, que é transformada para o domínio discreto. A entrada do bloco é então aplicada à equação a diferenças, resultante desta transformação e, de acordo com a amostragem do sistema (macrocycle da rede fieldbus), produz o sinal de saída. Isto no entanto fica transparente ao usuário que pode trabalhar no domínio contínuo s. Figura 18 - Esquemático do Bloco Transfer Function 2.5.2: Smith Predictor O bloco Smith Predictor é quem realmente implementa as operações do preditor de Smith. Ele necessita do bloco Transfer Function para representar o 25

35 modelo do processo controlado de acordo com a própria estrutura do Preditor de Smith. Possui três entradas. Uma é a entrada do processo real (IN_1) com atraso de transporte vinda por exemplo de um bloco Analog Input. A segunda (IN_2) é a entrada do modelo do processo sem atraso que originalmente deve ser conectada a saída de um bloco Transfer Function. Já a terceira é o próprio atraso do processo (DELAY_TIME) que pode ser configurado pelo usuário, pois é um parâmetro interno do bloco, ou receber um valor proveniente de outro bloco através de um link, para sistemas que tenham um atraso variável por exemplo. Como saída, o bloco tem apenas uma que depende do modo em que o bloco está operando. O bloco pode funcionar como BYPASS e neste caso a saída tem o valor da sua entrada do processo real. Também pode funcionar como um atrasador de sinal (DELAY) e neste caso, a saída é o sinal da entrada do modelo do processo atrasado de acordo com o parâmetro DELAY_TIME. No caso da operação como preditor (SMITH PREDICTOR), a saída é o sinal de realimentação do preditor a ser conectado a entrada de processo de um bloco PID. Abaixo o funcionamento do bloco é melhor entendido através de seu esquemático. Figura 19 - Esquemático do bloco Smith Predictor Uma implementação que utilize o Preditor de Smith para controle de plantas com atraso de transporte pode ser visualizada através de uma estratégia com blocos funcionais mostrada na próxima seção. 26

36 2.5.3: Estratégia para compensação de atraso Para entender como um processo com tempo morto é controlado com o uso de blocos funcionais criados, inicia-se com o controle de temperatura do capítulo 1, com a inserção dos instrumentos fieldbus em uma rede do tipo Foundation (Figura 20a). A visualização da estrutura de controle clássica do Preditor de Smith é mostrada na Figura 20b que corresponde em diagrama de blocos funcionais à estratégia da Figura 20d. Dentro desta estratégia, o bloco nomeado DFI_SPB que é do tipo Smith Predictor, tem seu esquemático ampliado na Figura 20c. Figura 20 a. Visão do processo real com instrumentação Foundation Fieldbus b. Diagrama de Blocos do Preditor de Smith c. Esquemático do bloco SMITH PREDICTOR d. Estratégia de controle com blocos funcionais Neste exemplo de controle de temperatura, o sinal de número 1 corresponde ao sinal de temperatura medido pelo transmissor de temperatura TT302 e disponibilizado pelo bloco Analog Input (TT_AI), instanciado neste transmissor. O sinal de número 2 é o sinal de saída do modelo do processo, gerado pelo bloco Transfer Function (DFI_TF), enquanto o sinal 3 é o sinal 2 atrasado no tempo. Este sinal de número 3 é interno ao bloco Smith Preditctor (DFI_SPB) que, junto com o bloco Transfer Function e o bloco de controle PID (DFI_PID) são instanciados dentro da unidade DFI302. O sinal de número 4 é a saída do bloco Smith Predictor 27

37 que é a própria realimentação do controle PID. O sinal de número 5 é a ação de controle do sistema que é enviada à válvula para atuação através do bloco Analog Output (FY_AO) instanciado no posicionador fieldbus FY302 da válvula. Todos estes três instrumentos utilizados neste exemplo pertencem à linha de equipamentos Foundation Fieldbus da SMAR. A identificação automática, objetivo do presente projeto, é o auxílio na configuração dos parâmetros do modelo do processo, representado pelo bloco Transfer Function (DFI_TF) dentro desta estratégia (Figura 20d). O uso conjunto dos blocos Transfer Function e Smith Predictor, para composição de uma estratégia como a mostrada nesta seção, permite o controle de plantas industriais de primeira ou segunda ordem estáveis. Para o controle de plantas integradoras [8], faz-se necessário algumas alterações no diagrama de blocos do Preditor e conseqüentemente, a utilização de outros blocos funcionais, como por exemplo o bloco Aritmético, e uma estratégia com blocos funcionais ampliada para implementação destas alterações. 2.6: Vantagens da tecnologia Para finalizar este capítulo alguns conceitos importantes, presentes na tecnologia de redes Foundation Fieldbus, para os sistemas de controle da atualidade. Entre os principais, temos: Redução de Hardware: As funções de controle dos sistemas são desempenhadas pelos blocos funcionais dentro de cada dispositivo. Isto reduz o número de componentes como: entradas e saídas, elementos de controle como cartões, gabinetes, etc. Qualidade e Quantidade de Informação: Estas redes possuem formato que permite que os equipamentos possam ser conectados a um barramento compartilhado onde a informação é transmitida de forma digital. Isto reduz os custos de cabeamento das aplicações tradicionais, onde se faz necessário um cabo para cada variável transmitida e permite maior quantidade de dados a serem transmitidos. Além disso, as características da comunicação digital possibilitam uma maior qualidade das informações contidas na rede. 28

38 Interoperabilidade: Como Foundation Fieldbus é um protocolo aberto, todos os fabricantes certificados pela Fieldbus Foundation podem fornecer equipamentos que serão capazes de se comunicar com qualquer outro dentro de uma rede desta tecnologia. Controle distribuído: Devido à eletrônica embarcada nos equipamentos, as tarefas podem ser divididas tornando os sistemas mais simples e eficientes. Diagnóstico: A inteligência de cada instrumento Foundation Fieldbus permite aumentar a disponibilidade e a segurança operacional reduzindo os custos de manutenção da rede. Redundância: A rede proporciona imunidade a falhas que possam ocorrer com alguns de seus equipamentos ou a sua estrutura. Isto é possível pois as redes podem ser instaladas de modo a operar com redundância de equipamentos, cabeamento, etc. 29