Comparação entre Redes Industriais: Fieldbus Foundation H1 e Allen-Bradley DH+
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- Daniela Lara Bugalho Caires
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1 Comparação entre Redes Industriais: Fieldbus Foundation H1 e Allen-Bradley DH+ Salvador Fernandes de Jesus Júnior * Sérgio José Gonçalves e Silva ** salvadorjr@petrobras.com.br sergiojose@petrobras.com.br * Engenharia de Instalações, Processamento e Automação da Unidade de Negócios de Exploração e Produção do Rio Grande do Norte e Ceará, PETROBRAS - Petróleo Brasileiro S/A, Natal, RN, Brasil ** Operação da Produção RN-Mar da Unidade de Negócios de Exploração e Produção do Rio Grande do Norte e Ceará, PETROBRAS - Petróleo Brasileiro S/A, Natal, RN, Brasil ABSTRACT In this paper will be discussed in a brief way the field nets Fieldbus Foundation H1 and Allen-Bradley DH+. Its architectures, characteristics physical structures of data and functional aspects of the nets will be presented now in way to provide a comparative picture among the two available technologies in the market. KEYWORD: field nets, Fieldbus Foundation H1, Allen-Bradley DH+. RESUMO Neste trabalho serão abordados de forma sucinta as redes de campo Fieldbus Foundation H1 e Allen-Bradley DH+. Suas arquiteturas, características físicas estruturas de dados e aspectos funcionais das redes serão apresentados de maneira a proporcionar um quadro comparativo entre as duas tecnologias disponíveis no mercado atualmente. PALAVRAS-CHAVE: redes de campo, Fieldbus Foundation H1, Allen-Bradley DH+. 1. INTRODUÇÃO As redes digitais para Automação Industrial já fazem parte da rotina de várias empresas, sejam industriais ou não, como forma de proporcionar redução de custos e aumento de rentabilidade por produto ou serviço vendido. Este trabalho apresenta uma comparação entre as Redes de Automação Industrial utilizadas no campo: Fieldbus Foundation H1 e Allen- Bradley DH+. 2. FIELDBUS FOUNDATION H1 A Fieldbus Foundation é um sistema de comunicação digital bidirecional que interliga equipamentos inteligentes de campo com sistema de controle ou equipamentos localizados na sala de controle, não sendo apenas uma substituição do sinal de transmissão analógico de 4 a 20 ma por um digital, interligando os instrumentos de campo à sala de controle, conforme figuras 1, 2 e 3. Algumas vantagens desta nova tecnologia são: 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 1
2 nos equipamentos de campo - instrumentos de medição e elementos de controle final. Serão dispensados os equipamentos dedicados para tarefas de controle; 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. Melhoria na qualidade das informações; Os transmissores transmitem muito mais informações; Os equipamentos indicam falha em tempo real; Facilidade na manutenção; entre outros. Não representa uma paixão típica por novas tecnologias e sim a redução de aproximadamente 40% nos custos de projeto, instalação, operação e manutenção de um processo industrial. Está dividida em 2 redes digitais: H1 (31,25 kbit/s) para utilização a nível de campo (entre os controladores e os I/O s, os atuadores e os sensores) e HSE (High Speed Ethernet, a 100 Mbit/s) para utilização entre os controladores e a Supervisão e Controle, sendo estas características, e outras, resumidas e apresentadas na figura 4. figura 1 figura 2 figura 4 A Fieldbus Foundation H1 é intrinsecamente segura, transporta a alimentação elétrica no mesmo cabo e um mesmo cabo para múltiplos dispositivos. figura 3 Impacto nos novos sistemas de controle: Redução de custo de engenharia; Redução de cabos, bandejas, borneiras, etc; figura 5 Utiliza apenas as seguintes camadas do Modelo OSI, conforme a figura 5, 2
3 inclusive para a HSE: 1 física; 2 pilha de comunicação; 7 aplicação do usuário. Utiliza uma corrente de +/- 10 ma a 31,25 kbit/s sobre uma resistência de terminação de 50 ohm (casador de impedância) para criar uma tensão modulada em Código Manchester de 1Vpp sobre a alimentação DC que pode variar entre 9 e 32 Volts, mostrada na figura 6. procedimentos, função de transdutores e funções de parametrização. Os parâmetros do bloco podem ser utilizados na rede; Blocos Gerenciador de Tarefas: sincronização de relógio, endereçamento e localizador de tag s; Blocos de Descrição de Dispositivo: arquivos Device Description Descrição de Dispositivo DD, voltado para a interoperabilidade, Device Description Service Descrição de Serviços do Dispositivo e Capacidade do Dispositivo. Os dados transmitidos são identificados por tipo (figura 8), sendo, desta forma, enviada a mais de um destinatário a cada transmissão. Um dispositivo pode receber/transmitir mais de um tipo de dado. figura 6 figura 8 3. ALLEN-BRADLEY DH+ É uma rede de comunicação digital bidirecional que interliga controladores e a Supervisão e Controle. O número de nós (endereços) é de 0 a 63. Utiliza um cabo bicoaxial com shield chamado Belden 9463, conforme visto na figura 9. figura 7 É baseada em Blocos, conforme a figura 7, inclusive para a HSE: Blocos de Recursos: descreve as características do dispositivo como nome, fabricante e número de série; Blocos de Função: descreve os procedimentos de controle do sistema, funções de entrada/saída, funções matemáticas, funções de figura 9 3
4 O nível de sinal típico é de 8 a 12 VCC pico-a-pico (conforme figura 10) com transmissão diferencial, com transmissão em Half-Duplex e taxas de transmissão de , e kbit/s, com distâncias máximas de acordo com a figura 11. figura 10 figura 11 A forma da rede é em barra conforme as figura 12 e 13. Também utiliza um resistor de terminação (casador de impedância) que varia de acordo com a velocidade de transmissão utilizada. figura 12 Dados sincronizados, codificados em Manchester. Todas as mensagens são comandos ou respostas ( reply ). figura 13 Existem Flags ( ) para início e fim dos pacotes e utiliza CRC de 16 bits antes do flag de final de pacote. Camada de Link de Dados: controla o fluxo de comunicação sobre a Camada Física e Determina a codificação no meio físico; Controla quem transmite e quem recebe dados usando um protocolo de arbitração; Transporta pacotes de dados intactos do nó fonte para o nó destino através do meio físico. Camada de Aplicação: responsável pelo controle e execução dos comandos especificados na comunicação entre nós, e também: Interpreta comandos; Formata dados do usuário em pacotes; Realiza interface para processos e base de dados do usuário. Estrutura de Pacotes de Mensagens: todas as mensagens possuem a mesma estrutura fundamental independente de sua função ou destino, conforme a figura 14. A comunicação consiste em uma mensagem de comando e uma de resposta (reply) com algum status para boa ou má comunicação. A mensagem é enviada por um nó específico para outro nó específico. Tipos: Leitura; Escrita; Diagnóstico; Upload/download. figura 14 4
5 DF1: Protocolo de Comunicação Full Duplex (ponto-a-ponto) ou Half Duplex (mestre-escravo); De 2 a 255 nós, limitados pelo máximo da Camada de Aplicação; De 6 bytes até o limite imposto pela Camada de Aplicação. Protocolo/Método de Acesso ao Meio: 1. Token Passing (Passagem de Ficha): Propriedade da Allen-Bradley; O nó que tem direito para transmitir é o qual tem a ficha ( Token ); O nó com a ficha pode enviar uma ou mais mensagens, ou passar a ficha para o próximo nó; Um nó não pode manter a ficha por mais de 38 ms (mínimo de 1,5 ms); O tamanho máximo do pacote é de 271 bytes; A ficha sempre é passada para o nó seguinte (endereço maior ou retorna para o 0) ativo; Um esquema de solicitação de propriedade é usado para permitir a entrada de um novo nó na rede. 2. Mensagens: Quando um nó envia uma mensagem, o nó receptor responde com um recebido certo (ACK) ou não (NAK); Se o nó receptor envia um NAK, a mensagem tem um erro, e não é retransmitida; Se o nó transmissor recebe um pacote que não é um ACK ou um NACK, ele repete a mensagem, tentando 3 vezes, não conseguindo gera um erro de status; Se o nó transmissor não recebe um ACK ou um NACK como resposta até um certo tempo, ele repete a mensagem, tentando 2 vezes, e se não conseguindo, gera um erro de status (timeout); Após passar as mensagens, ele passa a ficha para o próximo nó. 4. RESUMO COMPARATIVO Descrição H1 DH+ Velocidade (kbit/s) 31,25 57,6, 115,2 e 230,4 Distância (m) , e 762 Alimentação no Sim Não mesmo cabo Intrinsecamente Sim Sim segura Redundância Não Não Determinística Sim Sim Destino das Mensagem Produtor / Consumidor Origem / Destino Resistor de , 150 e 82 Terminação (ohm) Comunicação entre 5. REFERÊNCIAS Dispositivos de Campo, CLP s e Supervisório s CLP s e Supervisórios Curso Pós-técnico em Automação: Fieldbus Módulo Intermediário Prof. William da Silva Viana CEFET Documentação da Rede de Automação Industrial Manuais da Rede DH+ - Allen- Bradley/Rockwell Automation Redes de Comunicação em Automação João Maurício Rosário UNICAMP/RECOPE/MANET Technical Aspects of Data Highway Plus SST Tecnical Overview Fieldbus Foundation 5
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