Uma visão geral sobre Fieldbuses 1

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1 Uma visão geral sobre Fieldbuses 1 Lúcia R.H.R. Franco Escola Federal de Engenharia de Itajubá Coordenadora do Comitê Fieldbus do COBEI/ABNT lfranco@iee.efei.br Introdução Este artigo tem como objetivo dar uma visão geral dos protocolos destinados ao barramento de campo, também conhecidos como fieldbuses. Maiores informações podem ser obtidas no site do Grupo de Automação e Informática Industrial da EFEI ( que está sendo constantemente atualizado, a partir de pesquisas, palestras e cursos internos e/ou externos promovidos para empresas, graduação e pós-graduação. Aplicações na automação A automação está diretamente ligada aos equipamentos que controlam qualquer processo ou planta. Qualquer planta atualmente, já necessita de mais de um equipamento para sua automação, seja para interligar funções de controle ou interligar controle com supervisão. Isto exige um meio de comunicação entre eles para a troca de informações dos processos. Até alguns anos atrás, a rede tornava-se viável a partir de placas instaladas neste equipamentos, ou mesmo por funções desempenhadas em equipamentos específicos, que usavam diferentes protocolos desenvolvidos por cada um de seus fabricantes. E estes fabricantes só visavam a comunicação entre seus próprios equipamentos, geralmente específicos para uma determinada área de aplicação. A possibilidade de um único protocolo para diferentes áreas agitou o mercado e vem sendo discutida na elaboração de uma norma internacional para o fieldbus desde 1985, tanto pela IA International ociety for Measurement and Control como pelo IEC International Eletrotechnical Committee. Eis algumas das aplicações usuárias desta tecnologia: automação de sub-estações, de usinas de energia elétrica, predial, automobilística, petrolífera, alimentícia, farmacêutica, naval, aeronáutica e de outros diversos processos de manufatura e de controle de processos. A definição inicial do fieldbus A definição tradicional para fieldbus foi, inicialmente, uma rede digital serial multiponto que conecta dispositivos de campo (sensores e atuadores) e de controle (PCs industriais, PLCs, reguladores, etc). ua especificação envolve a definição do protocolo, como em toda rede de uso geral. No entanto, com a introdução da capacidade de distribuir o controle, o conceito do fieldbus abrange, atualmente, muito mais do que simplesmente uma rede. 1 Nas definições atuais, existem nomes diferentes de acordo com a complexidade das funções implementadas em cada um deles. Estes nomes são: Fieldbus, Devicebus ou ensorbus.

2 A história do fieldbus Inicialmente, seu objetivo era substituir o cabeamento que ligava cada sensor ou atuador a seu equipamento de controle (Figura 1 e Figura 2) por somente um barramento (Figura 3 e Figura 4) que conectasse todos os sensores, atuadores e equipamentos de controle. PLC Figura 1 PLC, seus dispositivos de campo e seus cabos interligando-os I N P U T O U T P U T C P U ENOR 1 ENOR 2 ENOR 3 ENOR 4 ENOR 5 ENOR N ATUADOR 1 ATUADOR 2 ATUADOR 3 ATUADOR N Figura 2 Arquitetura tradicional do PLC As vantagens do fieldbus Assim, uma das mais reconhecidas e discutidas vantagens do fieldbus é a redução do cabeamento. No entanto, a experiência tem mostrado que se obtém muitas vantagens a mais com seu uso. Entre elas, podem ser citadas:

3 a capacidade de transmitir, através de um protocolo digital, informações relativas a diagnósticos de cada instrumento. Esta capacidade pode prever problemas nos dispositivos antes que eles causem problemas no sistema; a capacidade de comunicação dos dados em unidades de engenharia, em vez de variáveis proporcionais representativas de uma grandeza. Em vez de se transmitir uma grandeza física proporcional a 4-20 ma, por exemplo, transmitese uma combinação binária com o valor da grandeza. Isto evita que o dispositivo que recebe esta grandeza tenha que convertê-la antes de usá-la, para descobrir quanto ela equivale, poupando sua capacidade de processamento para executar outras funções; a capacidade de permitir a programação dos dispositivos à distância; a capacidade de verificação dos dados. ão adicionados às variáveis transmitidas, bits que ajudam a verificar a correta recepção dos dados transmitidos; a capacidade de programar cada dispositivo para trabalhar numa faixa diferente, conforme desejado num determinado processo; a distribuição do controle, explicada mais adiante; etc. O desejo do usuário de um sistema aberto e a necessidade da padronização Existem diferentes dispositivos de campo. Muitos deles são produzidos por diferentes fabricantes. Assim, estes fabricantes logo constataram que para que estes dispositivos operassem numa mesma rede, seria necessário um protocolo definido em comum acordo entre eles. Não seria possível conviver com protocolos proprietários como conviveram no passado as redes comerciais, onde um determinado fabricante podia produzir todos os periféricos necessários para várias configurações de rede, segundo seu protocolo proprietário e sem depender de outros fabricantes. Deste modo, o usuário que escolhesse uma marca, ficava nas mãos deste fabricante: somente ele conhecia seu protocolo e sabia desenvolver produtos para seus modelos específicos. Assim, a escolha do usuário ficava restrita aos produtos e preços especificados por este fabricante. Portanto, era preciso um protocolo que permitisse que todos os fabricantes tivessem acesso para constituírem um só sistema formado pelos diferentes dispositivos. Deste modo, iniciou-se uma discussão de um protocolo internacional, liderado pela IA e finalmente seguido pelo IEC, cuja norma recebeu o código IEC (anteriormente referida como IEC 1158).

4 R E D E C P U ENOR 1 ATUADOR 2 ENOR 3 ATUADOR 1 ENOR 2 ATUADOR N ENOR N Figura 3 PLC ou PC industrial com placa de rede substituindo placas de I/O Propostas intermediárias para um fieldbus No momento em que a norma iniciou sua discussão, era esperado uma demora até sua definição final, e então surgiram algumas propostas visando usufruir imediatamente das vantagens de um barramento com comunicação digital sem esperar a especificação final. Basicamente, estas propostas apresentavam uma arquitetura que substituíam as placas de I/O dos PLCs (ou de PCs industriais executando o controle) por uma placa de rede fieldbus, segundo um padrão qualquer (Figura 3). Esta placa dispunha e dispõe até hoje de memórias que armazenam as variáveis de entrada e as de saída. As variáveis de entrada são cópias dos estados das entradas (chaves, botoeiras, sensores de temperatura, tensão, corrente, etc), e que são transmitidas vindas das entradas pelo barramento até a placa. As variáveis de saída (valores de tensão, dos ângulos de abertura de válvulas, etc) são enviadas pela CPU do PLC (ou do PC industrial) através da placa e enviadas através do barramento para cada saída do processo (motores, válvulas, drivers, etc). Importante notar que para estas arquiteturas, nada muda no programa de controle tradicional. Ele continua sendo executado no PLC ou no PC industrial (portanto, com controle centralizado). Apenas, em vez do programa ler as entradas em cada dispositivo de entrada ou escrever em cada dispositivo de saída, ele irá fazê-los na memória da placa de rede. E a placa de rede fará a interface entre o PLC ou PC industrial, e os I/Os (entradas e saídas). A maior parte dos produtos disponíveis para fieldbus atualmente, usa esta arquitetura.

5 PLC PC Figura 4 Arquiteturas de fieldbus com controle no PLC e no PC respectivamente Figura 5 - Uma das arquiteturas típicas do fieldbus com controle distribuído O aparecimento de barramentos de campo para áreas diversas Neste meio tempo, algumas empresas se alinharam e formaram grupos. Estes grupos ou desenvolveram um protocolo comum ou adotaram um protocolo já desenvolvido por uma delas. Estes protocolos destinaram-se às áreas de aplicação diferentes. Inicialmente, para interligação dos PLCs da iemens, foi desenvolvido e implementado o protocolo PROFIBU-DP, baseado no padrão elétrico da época R 485. Atualmente, este protocolo foi aberto para empresas que aderiram ao grupo de usuários PTO, e que utilizam PROFIBU como padrão. Para automação predial, gerou-se um fieldbus chamado LonWorks, que adotou o protocolo LonTalk. Esta linha de produtos foi conduzida pela Echelon que então criou um grupo de apoio para este fieldbus com outras empresas. Uma de suas particularidades é a comunicação pela fiação elétrica predial. Um sensor ou atuador, conectado ao circuito elétrico, pode ser lido ou comandado (respectivamente) por qualquer outro ponto da

6 instalação predial. Para que isto seja possível, é instalado um dispositivo no QDL dos circuitos, curto-circuitando as fases e seus circuitos para uma freqüência usada para a comunicação(obviamente diferente de 60 Hz), permitindo que um comando e/ou uma leitura de dados possa ser feito à distância. Para automação automobilística, e logo depois adaptada para outros usos, apareceu o protocolo CAN Controller Area Network que implementou uma interessantíssima técnica de controle de acesso ao meio, evitando a colisão, usual nas redes Ethernet. No entanto, esta especificação não foi completa permitindo que grupos diferentes especificassem as partes faltantes de forma incompatível. Deste modo, outros grupos com protocolos incompatíveis foram criados com base no CAN: DeviceNet (da Allen Bradley), D (da Honeywell), CANOpen (do grupo de usuários do CAN, i.e., CiA-CAN in Automation), etc. Para automação de máquinas ou pequenos sistemas, e com pequenas distâncias, criou-se o protocolo AI Actuator ensor Interface, que transmite palavras de 4 bits de cada dispositivo por vez. Geralmente é usado para comunicação entre dispositivos discretos. Muito embora tenha também (porém poucos) produtos voltados para dispositivos analógicos. Além disto, seu desempenho não é muito bom para os dispositivos analógicos, pois tem que enviar o código digital representativo da grandeza analógica partido em pacotes, normalmente 2 bits de cada vez, usando os outros dois para a numeração do pacote. Assim são necessárias várias varreduras para que a grandeza seja totalmente transmitida. Especificamente para a área de manufatura, apareceu um outro protocolo utilizando uma topologia em anel chamado InterBus-, tanto para dispositivos discretos como para analógicos. Este protocolo utiliza uma topologia em anel dividida nos chamados barramentos locais e remotos. Na França normalizou-se o FIP como norma francesa. Mas, logo após, em um acordo com o IEC, o FIP foi modificado para WorldFIP recebendo as devidas modificações para ser compatível com a proposta internacional do IEC. Na Dinamarca, surgiu o P-Net, um fieldbus com uma velocidade de comunicação reconhecidamente ineficiente, com um protocolo baseado num token modificado. Uma arquitetura mais evoluída para a norma internacional Com a evolução da arquitetura de controle distribuído e divulgação de suas vantagens, os comitês envolvidos com a norma internacional incluíram na especificação da rede, funções de controle e de gerenciamento distribuído. Deste modo, o programa de controle pode ser dividido para ser executado em dispositivos diferentes, aumentando a confiabilidade do sistema e a velocidade do que em um único equipamento como num PLC, por exemplo. Isto pode significar que não será necessário um equipamento de controle como um PLC no futuro (Figura 5). No entanto, para que estas partes do programa pudessem ser entendidas por diferentes dispositivos de diferentes fabricantes, e também, redundantes em diferentes

7 dispositivos (para maior confiabilidade que os usuais PLCs e controladores centralizadores do programa de controle), foi necessário também uma padronização das mesmas. Esta padronização está continuamente sendo expandida, mas tem como base, blocos funcionais padronizados anteriormente para as conhecidas arquiteturas de DCDs (Figura 6). Deste modo, o verdadeiro fieldbus não é mais somente uma rede, mas um sistema de controle em tempo real que utiliza uma rede, geralmente implementada numa topologia em barramento, e que distribui o controle. Porém, este fieldbus ainda está engatinhando no mercado. Como citado anteriormente, os primeiros passos para se chegar a ele, só tinham produzido placas que substituíam as conhecidas placas de I/O para PLC por uma placa que era capaz de interfacear com o PLC e o barramento do fieldbus. Neste caso, já se aproveitava a capacidade de economia de cabos, mas não a capacidade de se distribuir o controle. Então, como esta capacidade de distribuir o controle precisou ser padronizada, o IEC o está padronizando sob o código IEC Embora a normalização conforme a IEC esteja bem evoluída para blocos funcionais usados no controle de processos, outros conjuntos de blocos funcionais estão por vir. Porém, alguns dispositivos no mercado já usufruem das especificações dos primeiros blocos funcionais. Dispositivo A Dispositivo B Dispositivo C Dispositivo D Aplicação 1 FB1 FB2 Aplicação 3 FB3 FB4 FB5 FB6 Aplicação 2 FB7 Processo Controlado Figura 6 - Blocos Funcionais distribuídos em diferentes dispositivos do fieldbus Um importante detalhe, que muitas vezes passa despercebido pelos usuários e muitas vezes pelos fabricantes, é que a especificação do IEC foi concebida desde o início para prover um único fieldbus a ser aplicado em qualquer área. Deste modo, é a única solução capaz de, distribuindo o controle (especificação que a faz muito superior às outras propostas existentes até o momento), atender o desejo dos usuários, possibilitando um único tipo de rede não proprietária para diferentes aplicações. E além do mais, ainda pode ser usado aonde existam variáveis analógicas e/ou discretas, e em aplicações simples como uma rede on/off (de alarme de presença, por exemplo) ou bem mais complexa. Deste modo, este é o único fieldbus que realmente pode ser aplicado em qualquer área, sem ter seu desempenho comprometido pelo seu protocolo.

8 Atualmente, a Fieldbus Foundation, união de vários fabricantes da área de controle de processos, implementa os dispositivos e desenvolve softwares para a norma internacional. Porém, as empresas que haviam bancado o desenvolvimento de outros fieldbuses tentaram normalizar os seus fieldbuses para que pudessem sobreviver após a completa normalização internacional. Nesta corrida, como não foram bem sucedidos no IEC, que já propunha algo tecnicamente mais evoluído, alguns deles conseguiram um acordo, mal visto pelos usuários atentos, que junta numa mesma norma européia EN 50170, diferentes e incompatíveis fieldbuses: WorldFIP, PROFIBU-DP, P-Net. No entanto, atualmente com a esperada finalização da normalização internacional do IEC, os fabricantes do WorldFIP anunciam a esperada aderência à norma IEC Assim, a França está sendo o primeiro país que já tinha sua própria norma nacional para o fieldbus, a abandoná-la e a assumir a defesa da norma internacional. Este é o caminho que nós, usuários bem informados sobre a tecnologia atualmente disponível, gostaríamos que fosse seguido por aqueles que ainda estão pensando em defender seus investimentos do passado, abusando da desinformação dos usuários, em prejuízo da comunidade de automação. O processo de elaboração de uma norma internacional do IEC O processo de normalização do IEC é demorado e depende da aprovação dos documentos propostos discutidos em várias etapas. Existem dois tipos de países membros no IEC que participam, mais ou menos, da elaboração de uma norma internacional: P (participantes) e O (observadores). Os membros participantes possuem comitês que estudam e elaboram os documentos para votação internacional. Os observadores, geralmente sem pessoal especializado no assunto, apenas observam e aceitam as decisões dos países participantes. O Brasil reúne-se no COBEI/ABNT no Comitê para o Fieldbus, um dia por mês, aonde estuda, discute e envia sugestões, desde o início da discussão sobre o assunto. Portanto, atua ativamente neste processo. O processo de aprovação pode ser expresso pelo fluxograma visto na Figura 7. Algumas siglas constantes na Figura 7, são explicadas a seguir. Um New Work Item Proposal (NP) é uma proposta feita por um membro P submetida à votação dos demais membros P do Technical Committee ou ub-committee (TC/C). A aprovação é por maioria simples. Após a aprovação do New Work Item, é criado um Working Group formado por membros P para discussão do assunto, preparando um documento chamado de Working Draft (WD) que será votado futuramente. Após a aprovação do WD, O TC ou C prepara um Committee Draft(CD) para análise e elaboração de comentários pelos membros P e O. Após a recepção dos comentários e a compilação destes, é preparado um documento chamado de Committee Draft for Vote(CDV), para ser submetido à votação pelos membros P. O CDV é aprovado se 2/3 dos votos dos membros P forem favoráveis. Após a compilação dos votos e sugestões aprovadas pelo TC, o Central Office prepara o (FDI) Final Draft International tandard, para uma última votação (num intervalo de 2 meses), que só deverá ser aprovado se obtiver 2/3 dos votos dos membros favoráveis.

9 Estágio da norma internacional IEC Cada estágio do processo de normalização foi lenta e custosa. Principalmente nos estágios finais, pois alguns poucos países colocaram-se contrários à proposta internacional. Esta posição foi adotada desde o momento em que os comitês nacionais de diversos países, após anos de estudo, constataram que os protocolos adotados por estes poucos países não atendiam a todos os requisitos necessários para um eficiente controle de processos e manufatura. Portanto, os comitês optaram por uma especificação mais completa, tornando-a incompatível com cada um de seus produtos já existentes. Tinha sido uma opção drástica, mas inevitável em prol da eficiência da automação. Porém, a partir deste estágio, estes países demonstraram interesse em prorrogar esta aprovação. Em fins de outubro do ano passado, a norma IEC já tinha alcançado o estágio de FDI, e dependia apenas da última aprovação para se tornar I, marcada para 31 de outubro. Deste modo, a comunidade envolvida com a proposta, estava confiante em sua aprovação final. Pois neste estágio, toda a discussão técnica de uma norma está discutida, aprovada e se destina apenas à aprovação da editoração dos documentos. Não cabia mais nenhuma argumentação técnica, a não ser que a documentação apresentada para votação fosse diferente daquelas aprovadas anteriormente. Infelizmente, para surpresa dos comitês, alguns comitês que nunca tinham votado antes ou se abstiveram em outras etapas, votaram contra, ultrapassando 1/3 (de todos os membros P e O ) dos votos negativos permitidos. O mais incrível ainda, que obrigados pelas regras do IEC, justificaram seus votos com a mesma argumentação sem fundamentação técnica dada pelos outros. Isto veio a reforçar a idéia de que não tendo conhecimento para argumentar consistentemente, buscaram copiar as justificativas dadas por outros comitês que participaram do processo desde o princípio. Estes, por interesses assumidos como em defesa dos seus clientes que já compraram nossos equipamentos que não são compatíveis com a norma, e se sentirão prejudicados..., buscaram qualquer argumento para justificar seus votos contrários. Como estas justificativas preocuparam o IEC, o Central Office em Genebra interferiu e pediu aos demais países que as analisassem. Recentemente eles as analisaram e em sua maioria as considerou inconsistentes. Assim, espera-se que o Central Office do IEC, anule os votos contrários a norma e ela finalmente venha a se tornar I-International tandard. Deste modo, o número de mais de 200 plantas já instaladas só no Brasil deverá crescer muito mais do que vem crescendo até o momento.

10 0 NP Vot N rejeitado 3 meses 0 WD Vot N 6 meses CD 24 meses CDV 36 meses Vot FDI N NP - New Work Item Proposal WD - Working Draft CD - Committee Draft CDV - Committee Draft for Vote FDI - Final Draft international tandard I - International tandard Vot N Volta p/ o TC I Figura 7 Fluxograma dos estágios para aprovação de uma norma internacional Conclusão O Grupo de Automação e Informática Industrial da EFEI tem acompanhado esta evolução, e através do Laboratório de Fieldbus vem divulgando esta tecnologia, nacional e internacionalmente.