Protocolos de Comunicação: Conceitos

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1 Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF custo Protocolos de Comunicação: Conceitos Prof a Ninoska Bojorge Introdução competitividade desenvolvimento das empresas complexidade dos processos Instrumentação moderna muitas alternativas tecnológicas Objetivos da Automação Industrial: Aumento da segurança Diminuição dos custos operacionais Melhoria das condições de operação Simplificação das instalações Aumento dos níveis de controle Aumento dos níveis de acompanhamento 2

2 Introdução A medida que os processos controlados se multiplicaram, surgiu a necessidade da operação se realizar à distância e de forma centralizada. Sensor Controlador local??? Válvula de Controle Operação à Distância Processo Sala de Controle Planta industrial Introdução A tecnologia pneumática usa um sinal de pressão de ar ( 3 ~ 15 psi) como elemento de comunicação entre seus elementos. Sensor Instrumentação Pneumática Controlador local??? Válvula de Controle Processo Operação à Distância Sala de Controle Planta industrial

3 Introdução Há vários anos, a comunicação de campo padrão usada pelos equipamentos de controle de processos tem sido o sinal analógico de corrente, o miliampére (ma). corrente da malha 4 a 20 ma Fluido do processo Na maioria das aplicações, esse sinal de corrente varia dentro da faixa de 4-20mA proporcionalmente à variável de processo representada. Virtualmente todos os sistemas de controle de processos de plantas usam esse padrão internacional para transmitir a informação da variável de processo. 5 Conversão de % para unidade de engenharia 100% 0% 20mA 4 ma Valor medido = [ ( Final - Inicial) ou Span] x ( % ) + zero 100% Conversão de unidade de engenharia para % 20mA 4 ma 100% 0% Valor medido = ( Valor de transmissão zero) x (100% ) ( Final - Início ) = Span

4 TRANSMISSOR A 2 FIOS - Alimentação (24 Vdc) e comunicação (4 a 20 ma) no mesmo par de fios. TRANSMISSOR A 4 FIOS - Alimentação e comunicação independentes. Alimentação (110 vac) Saída digital Saída 4 a 20 ma Histórico SDCD Sistema Digital de Controle Distribuído Arquitetura: Estações locais de interface com o processo: Controle contínuo e sequêncial Monitoramento Comunicação com controladores de malha simples Interface H-M interativa para supervisão e monitoração do processo (monitor e teclado) Redes de comunicação redundante (cabo coaxial ou fibra óptica)

5 Historico Desenvolvimento dos CLP s (Controladores Lógicos Programáveis), das IHM (Interface Homem Máquina), dos sensores, atuadores e sistemas de comunicação levaram a: SDCD s com arquiteturas mais flexíveis Custo menor com mais eficiência e confiabilidade Implementações atuais são Redes de CLP s gerenciadas por SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) Manufatura Integrada por por Terceiro Computador nível CIM (Computer Integrated Manufacturing) Sistemas que gerenciam processos de forma integrada (Manufatura Integrada por Computador) Características: Vários níveis (hierarquia) Protocolos diferentes para cada nível Controle distribuído Centralização das macro-decisões Integração das gerência técnico e administrativa

6 Manufatura Integrada por por Terceiro Computador nível Atualmente a base de um CIM é formada por: SDCD, que atua nos níveis: Controle Processo (execução, campo) SCADA, que atua em todos os níveis Redes de comunicação, que utilizam protocolos industriais Manufatura Integrada por por Terceiro Computador nível

7 Manufatura Integrada por por Terceiro Computador nível Nível de Gestão Nível de Controle Nível de campo e de Processo Nível de E/S Estações de trabalho Aplicações em rede Monitoramento da produção PC s e CLP s PC s e CLP s, blocos de E/S, Controladores, transdutores Atuadores e sensores Manufatura Integrada por por Terceiro Computador nível

8 Níveis de Automação Manufatura Integrada por Computador Redes industriais são padronizadas em níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação 15 Manufatura Integrada por por Terceiro Computador nível Níveis hierárquicos de um CIM 5º 4º 3º Administração Gerenciamento Planejamento Operacional Coordenação Engenharia Contabilidade de custos, lucros e investimentos Desenvolvimento, projeto e planejamento (qualidade e capacidade). Supervisiona o sistema para otimização Definição, resolução e restrição das atividades e planos de trabalho detalhados 2º Controle 1º Execução Controle e monitoramento em tempo real Processo. Chão de fábrica

9 Redes Industriais Requerem: Modularidade Confiabilidade Interoperabilidade: capacidade dos sistemas abertos trocarem informações entre eles, mesmo quando fornecidos por fabricantes diferentes. Interconectividade: maneira como os computadores de fabricantes diferentes podem se conectar. Portabilidade: capacidade de um software rodar em plataformas diferentes. Grande desempenho 26/11/ Redes de Comunicação Os sistemas de controle antigos tipo SDCD tem a sua instalação e manutenção implicando em altos custos principalmente quando se desejava ampliar uma aplicação onde além dos custos de projeto e equipamento, custos com cabeamento dos equipamentos de campo à unidade central de controle. Para minimizar estes custos e aumentar a operacionalidade de uma aplicação introduziu-se o conceito de rede de comunicação digital para interligar os vários equipamentos de uma aplicação 18

10 Controle Distribuído Redes de Comunicação Interligação de Computadores Integração de computadores aos CLP s Integração dos CLP s a dispositivos inteligentes Controladores Terminais de válvulas Sistemas de Identificação Sensores Centros de Comando de Motores Etc. 20

11 Redes de Comunicação O projeto de implantação de sistemas de controle baseados em redes, requer um estudo para determinar qual o tipo de rede que possui as maiores vantagens de implementação ao usuário final, que deve buscar uma plataforma de aplicação compatível com o maior número de equipamentos possíveis. Surge daí a opção pela utilização de arquiteturas de sistemas abertos que, ao contrário das arquiteturas proprietárias onde apenas um fabricante lança produtos compatíveis com a sua própria arquitetura de rede, o usuário pode encontrar em mais de um fabricante a solução para os seus problemas. Além disso, muitas redes abertas possuem organizações de usuários que podem fornecer informações e possibilitar trocas de experiências a respeito dos diversos problemas de funcionamento de uma rede. 21 Filosofias de Distribuição E/S

12 Redes de Comunicação As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas As redes com dados em formato de bloco são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis. 23 Sistemas Abertos O conceito de sistema aberto é muito abrangente. Um sistema pode ser mais aberto ou menos aberto dependendo do grau em que ele apresenta cada um dos cinco atributos seguintes: interconectividade, interoperabilidade, intercambiabilidade, extensibilidade e escalabilidade.

13 Interconectividade É a capacidade de conectar em rede equipamentos, máquinas e aplicativos através de canais de comunicação de forma que eles possam trocar informações e interpretar as informações trocadas. Interoperabilidade A interoperabilidade é conseguida quando soluções de vários fabricantes são capazes de operar umas às outras. Isso quer dizer que, uma vez que se tenha interconectividade, num sistema interoperável os equipamentos, as máquinas e os aplicativos podem comandar uns aos outros.

14 Intercambiabilidade A intercambiabilidade tem a ver com a possibilidade de se substituir um equipamento, máquina ou aplicativo de um fabricante pelo de outro sem perda de funcionalidade. Extensibilidade O sistema apresenta extensibilidade quando novas funcionalidades podem ser incluídas pela simples adição de novos equipamentos, máquinas e aplicativos sem impacto nas funcionalidades já existentes no sistema.

15 Escalabilidade Escalabilidade A escalabilidade é o atributo que garante que o sistema possa ser usado desde aplicações muito pequenas até aplicações muito grandes, sendo que a configuração para aplicações pequenas é relativamente simples e barata. Mas, se a aplicação se desenvolver e se tornar maior e mais complexa, o sistema suporta também uma configuração mais sofisticada e proporcionalmente mais cara. Isso que dizer que o usuário não precisa pagar caro para atender uma aplicação simples, nem pagar mais barato por uma solução simples que depois não pode ser estendida.

16 Protocolos de redes abertas Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de protocolos de redes incluem: HART. Fieldbus Foundation, Profibus 31 Protocolo HART HART - Highway Addressable Remote Transducer Protocol Lançado pela Rosemount em 1980 Logo depois, em 1993, foi formada a Hart Coomunication Foundation, pois o protocolo foi tornado aberto. Hoje mais de 2/3 dos instrumentos inteligentes de comunicação de dados usam o protocolo HART. Usa dois modos de comunicação: comunicação digital e o tradicional 4-20 ma analógicos usados por equipamentos de instrumentação tradicional. 32

17 Protocolo HART A variável primária e a informação do sinal de controle podem ser transmitidos pelo 4-20mA, se desejado, enquanto que as medições adicionais, parâmetros de processo, configuração do instrumento, calibração e as informações de diagnóstico são disponibilizadas na mesma fiação e ao mesmo tempo. Ao contrário das demais tecnologias de comunicação digitais abertas para instrumentação de processos, o HART é compatível com os sistemas existentes. HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 ma 33 Protocolo HART É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de bits/s e modulação FSK ( Frequency Shift Key ). O Hart é baseado no sistema mestre escravo, permitindo a existência de dois mestres na rede simultaneamente. HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 ma 34

18 Protocolo HART Alguns equipamentos HART incluem controlador PID em seus algoritmos, implementando uma solução de controle com boa relação custo-benefício. 35 Protocolo HART n n n n n n Os dispositivos trocam seus dados e valores medidos digitalmente, somente via protocolo HART (frequencia). A corrente serve apenas para alimentar os dispositivos a 2 fios a 4 ma. Até 15 dispositivos podem ser conectados em paralelo através de um par de fios. O comprimento do cabo depende de características do produto/cabo individualmente. O mestre distingue o dispositivo de campo através de seu endereço que varia de 1 a 15. Válvulas de controle não podem ser utilizadas no modo multidrop pois os sinais de controle para válvulas são transmitidos no padrão 4 a 20 ma. 36

19 Protocolo HART Topologia ponto-a-ponto: simultâneo analógico e digital e ponto-a-ponto somente digital. Cadeia Multidrop somente digital O SDCD é ligado com 1 par de fios para cada instrumento no ponto a ponto. 37 Protocolo HART Arquitetura convencional ponto a ponto 38

20 Protocolo HART Modo Multidrop - HART Topologia ponto-a-ponto: simultâneo analógico e digital e ponto-a-ponto somente digital. Cadeia Multidrop somente digital O SDCD é ligado com 1 par de fios para cada instrumento no ponto a ponto. 39 Protocolo HART Vantagens x e Desvantagens Posso perder o HART (frequência) e o meu sistema de controle continua a funcionar (4-20mA) Distância no ponto a ponto dependendo somente da Lei de Ohm. Saio com 24 V e o meu instrumento funciona com 18 V (queda de até 6 V). Custo do instrumento mais barato que o fieldbus. Dependendo do port do projeto. Posso escolher: pto a pto ou rede. Simples é pto-a-pto (4 a 20 ma) para projeto e manutenção. Com 4 a 20 ma continua-se operando e com HART manten-se a configuração /diagnose. Exige pessoal com menor capacitação (multiteste) Velocidade: para monitoração de controle. Custo: infra-estrutura para 1 cabo para cada instrumento. Ex.: instrumentos exigem pares. No FieldBus seriam 3000 pares. Em geral não é usado com rede. Velocidade baixa e custo alto. Para sair de projetos HART e ir para protocolos Digitais a equipe deve encarar desafios. HART é mais voltado para plantas de processo e pessoas mais conservadoras. 40

21 Protocolo Fieldbus Fieldbus Definição FIELDBUS é um sistema de comunicação digital bidirecional que interliga equipamentos inteligentes de campo com sistema de controle ou equipamentos localizados na sala de controle. Barramento de Campo - Fieldbus Surgiram da necessidade de interligar equipamentos usados nos sistemas de automação. Compartilha recursos e base de dados que passaram a ser únicas É usual saber a necessidade da taxa de taxa de transmissão de bits e dispositivos utilizados para depois especificar o protocolo utilizado. Fieldbus, do inglês Barramento de Campo 26/11/

22 Uma grande evolução nas redes de comunicação industrial Convencional Field Bus Protocolo Fieldbus A Tecnologia Foundation Fieldbus 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. 44

23 Fieldbus Definição O termo "FIELDBUS" se refere a um protocolo de comunicações digital, bidirecional usado para comunicações entre instrumentos de campo e sistemas de controle em processo, manufatura. É intencional, com a substituição do 4-20 ma analógico, uma oferta de benefícios, inclusive a habilidade para: Migrar o controle ao chão de planta; Acesso para uma riqueza sem precedente de dados do campo; custos reduzido de telemetria aumentou capacidades de manutenção avançada, Grande redução de custos de instalação. Medição precisa 4-20mA Field JB + marshalling IS Interface I/O card PV = 392.8mb 12.83mA 12.86mA 12.87mA PV = 393.1mb Leakage + noise Conversion error Conversion error Fieldbus Field JB + marshalling IS Interface H1 I/O card PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb PV = 392.8mb

24 FIELDBUS VANTAGENS Redução no custo de fiação, instalação, operação e manutenção de plantas industriais; Informação imediata sobre diagnóstico de falhas nos equipamentos de campo. Os problemas podem ser detectados antes deles se tornarem sérios, reduzindo assim o tempo de inatividade da planta; Distribuição das funções de controle nos equipamentos de campo - instrumentos de medição e elementos de controle final. Serão dispensados os equipamentos dedicados para tarefas de controle. FIELDBUS VANTAGENS Aumento da robustez do sistema, visto que dados digitais são mais confiáveis que analógicos; Melhoria na precisão do sistema de controle, visto que conversões D/A e A/D não são mais necessárias. Conseqüentemente a eficiência da planta será aperfeiçoada.

25 Exemplo de uma arquitetura de rede Fielbus, onde podemos observar a estação de supervisão, uma placa de interface com múltiplos canais, o barramento linear, terminador do barramento ( BT-302 ), fonte de alimentação (PS-302), impedância (PSI-302 ) e diversos instrumentos, inclusive um CLP com placa de interface para o barramento. FIELDBUS mais VANTAGENS Redução de custo de engenharia; Redução de cabos, bandejas, borneiras, etc; Melhoria na qualidade das informações; Os transmissores transmitem muito mais informações; Os equipamentos indicam falha em tempo real; Facilidade na manutenção.

26 Instalação Tipica Fieldbus Fieldbus control system (DCS) Redundant, isolated Fieldbus power conditioner Sala de Controle Field wiring hub with spur short-circuit protection CAMPO FOUNDATION Fieldbus Devices Safe area Segurança InstalaçãoTipica Fieldbus

27 FIELDBUS PROFIBUS O PROFIBUS (acrónimo de Process Field Bus) é o 2º tipo mais popular sistema de comunicação em rede Fieldbus. 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. Mundialmente, os usuários podem se referencia a um padrão internacional de protocolo, cujo desenvolvimento procurou e procura a redução de custos, flexibilidade, confiança, orientação ao futuro, atendimento as mais diversas aplicações, interoperabilidade e múltiplos fornecedores. 53 AS VERTENTES MUNDIAIS A FIELDBUS PROFIBUS sai na frente e estabelece seus padrões, tendo hoje mais de 1400 instrumentos de diversos fabricantes aprovados nos testes de conformidade e com o certificado da fundação. Já a FIELDBUS FOUNDATION completou o seu processo de padronização no final do ano de 1997.

28 PROFIBUS Independência dos vendedores e abertura estão garantidas pelo padrão PROFIBUS EN Com o PROFIBUS, dispositivos de diferentes fabricantes podem comunicar entre si sem a necessidade de interface especiais. PROFIBUS pode ser usado onde se necessita de alta velocidade transmissão de dados e tarefas de comunicação complexas e extensas. PROBIBUS PROTOCOLO DE ACESSO AO MEIO Comunicação Industrial Profibus. A forma de configuração e programação do CLP não se altera, porém existem uma outra interface onde se faz a configuração e a programação dos demais dispositivos da rede.

29 Protocolo de acesso ao meio PROFIBUS especifica as características técnicas e funcionais de um sistema de FIELDBUS SERIAL, descentralizando os controladores digitais, agora trabalhando a nível de célula. Há uma distinção entre DISPOSITIVOS MESTRE e DISPOSITIVOS ESCRAVOS. Comunicação Mestre- Escravo. 58 O procedimento mestre-escravo possibilita ao mestre que esteja ativo (o que possui o token ) acessar os seus escravos (através dos serviços de leitura e escrita).

30 FIELDBUS PROFIBUS Existem três diferentes versões de PROFIBUS: PROFIBUS-DP (Decentralized Peripherals) esse protocolo foi a primeira versão criada. Indicada para o chão de fábrica, onde há um volume de informações grande e há a necessidade de uma alta velocidade de comunicação para que os eventos sejam tratados num tempo adequado. PROFIBUS-FMS (Fieldbus Message Specification) esta versão é uma evolução do Profibus DP e destina-se a comunicação ao nível de células (nível onde se encontram os PLCs). O FMS é tão poderoso que pode suportar o volume de dados até o nível gerencial, mesmo que isso não seja indicado. PROFIBUS-PA (Process Automation) é a versão mais moderna do Profibus. Uma característica interessante deste protocolo é que os dados podem trafegar pela mesma linha física da alimentação DC, o que economiza tempo de instalação e cabos e diminui o custo de sua instalação. Sua performance é semelhante ao DP. Uma característica interessante nesse protocolo, é o fato dele ser intrinsecamente seguro, podendo ser usado em áreas classificada 59