Departamento de Engenharia Química e de Petróleo UFF Instrumentação Fieldbus: Outros Processos de Introdução e Conceitos Separação custo Prof a Ninoska Bojorge Introdução Competitividade Complexidade dos processos Objetivos da Automação Industrial: Desenvolvimento das indústrias Instrumentação moderna Fez surgir muitas alternativas tecnológicas p/ suprir demanda de sistemas de monitoramento e controle mais eficiente 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
Introdução À 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 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. Instrumentação Pneumática: + > Opera com segurança em áreas de riscos Custo elevado Pouco flexível Manutenção dispendiosa - Precisão reduzida Permite Operação à distância, mas limitada ( 100m) Controlador local Válvula de Controle Sensor Processo Operação à Distância i Sala de Controle Planta industrial
Tecnologia Eletrônica (Analógica) ou Transmissor a 2 fios/4 fios Vantagens: Permite transmissão para longas distâncias sem perdas. A alimentação pode ser feita pelos próprios fios que conduzem o sinal de transmissão. Permite fácil conexão aos computadores. Fácil instalação. Permite de forma mais fácil realização de operações matemáticas. Permite que o mesmo sinal (4~20mA) seja lido por mais de um instrumento, ligando em série os instrumentos (limitado pela resistência interna). Desvantagens: Exige no mínimo um par de fios para cada instrumento. Necessita de técnico especializado para sua instalação e manutenção. Exige utilização de instrumentos e cuidados especiais em instalações localizadas em áreas de riscos. Exige cuidados especiais na escolha do encaminhamento de cabos ou fios de sinais. Os cabos de sinal devem ser protegidos contra ruídos elétricos. Alimentação (110 vac) Saída 4 a 20 ma Tecnologia Digital Graças ao uso dos microprocessadores, os instrumentos se tornam inteligentes e totalmente configuráveis via software. Entre as vantagens da instrumentação digital sobre a analógica são de salientar: a) Resolução da apresentação da informação Os melhores indicadores analógicos não permitem uma resolução muito superior a uma parte em cem, correspondente a um aparelho digital com apenas dois dígitos. Por outro lado é possível construírem-se aparelhos digitais com resolução de seis ou mais dígitos. b) Apresentação da informação A indicação digital é de mais fácil leitura que a analógica, eliminando por exemplo erros de paralaxe. Essa característica permite a utilização por pessoal não especializado. c) Utilização da informação (+) Pela sua natureza, a informação sob a forma digital permite a sua utilização direta por computadores, facilitando a sua transmissão e armazenamento. d) Imunidade ao Ruído 6
Tecnologia Digital Desvantagens: Caros: Mais onerosos do que os correspondentes aparelhos analógicos, mas os digitais são na maior parte dos casos uma melhor solução se se tiver em conta fatores como: precisão, funcionalidade, resistência e possibilidade de reparação (a que corresponde um maior tempo de vida útil). Filosofias de Distribuição E/S 7
Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD) O Sistema digital de controle distribuído ou SDCD é um equipamento da área de automação industrial que tem como função primordial o controle de processos e forma a permitir uma otimização da produtividade industrial, estruturada na diminuição de custos de produção, melhoria na qualidade dos produtos, precisão das operações, segurança operacional, entre outros. Usados no controle de processos de manufatura de natureza tanto continua quando orientada por lotes. Exemplo: refino de petróleo, petroquímicas, usinas elétricas, farmacêuticas, indústria de alimentos e bebidas, produção de cimento, metalurgia e indústria de papel. 9 Sistema Digital de Controle Distribuído (SDCD) Constituído por: Processadores e redes redundantes e permite uma descentralização do processamento de dados e decisões, através do uso de unidades remotas na planta. Interface homem-máquina (IHM) que permite o interfaceamento com controladores lógicos programáveis (CLP), controladores PID, equipamentos de comunicação digital e sistemas em rede. É através das Unidades de Processamento, distribuídas nas áreas, que os sinais dos equipamentos de campo são processados de acordo com a estratégia té programada. Estes sinais, i transformados em informação de processo, são atualizados em tempo real nas telas de operação das Salas de Controle. 10
Redes de Comunicação Os sistemas de controle antigos tinham a sua instalação e manutenção implicando em altos custos principalmente p quando se desejava ampliar uma aplicação, onde além dos custos de projeto e equipamento, estão os 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 Redes de Comunicação 11 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. RS-232 12
Redes de Comunicação 13 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 ái 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. 14
Níveis de Automação Redes industriais são padronizadas em níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características de informação Nível de monitoramento estatístico (softwares gerenciais) Padrão Ethernet (TCP/IP) Nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando PLCs, SDCD e PCs Nível de controle ou o nível de I/O. Redes de Comunicação: classificação 15 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. 16
Redes de Comunicação: Classificação Quanto ao tipo de rede de equipamento e os dados que ela transporta: Rede Sensorbus Utilizada principalmente em automação de manufatura com controle lógico, onde trafega dados no formato de bits não cobrem grandes distâncias. Rede Devicebus - Utilizada principalmente em automação de manufatura com controle lógico, onde trafega dados no formato de bytes distâncias de até 500 m Rede Fieldbus - Utilizada principalmente p em automação de processos com controle complexo, onde trafega dados no formato de pacotes de mensagens A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Fieldbus Definição 17 FIELDBUS é definido como uma rede digital, bidirecional (de acesso compartilhado), multiponto e serial, utilizado para interligar os dispositivos primários de automação (dispositivos de campo) a um sistema integrado de automação e controle de processos. Cada dispositivo de campo pode possuir uma "inteligência" (microprocessado), o que o torna capaz de executar funções simples em si mesmo, tais como: diagnóstico, controle e funções de manutenção, possibilitar a comunicação entre dispositivosi i de campo(não apenas entre o engenheiro e o dispositivo de campo). Em outras palavras o fieldbus veio para substituir o controle centralizado pelo Em outras palavras, o fieldbus veio para substituir o controle centralizado pelo distribuído.
Uma grande evolução nas redes de comunicação industrial Convencional Field Bus Fieldbus Definição O FIELDBUS não representa uma paixão típicas por novas tecnologias e sim a redução de aproximadamente 40% nos custos de projeto, instalação, operação e manutenção de um sistema de controle de processos industriais.
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, i coma 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 transmissão de dados (telemetria) Aumento das capacidades de manutenção avançada, Grande redução de custos de instalação. Ciclo Econômico Engenharia, Construção, & Commissionamento/Start-up Operação & Manutenção Replace Cash Flow Tempo Analógica fieldbus
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 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. Consequentemente a eficiência da planta será aperfeiçoada. 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.
InstalaçãoTipical 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
Tipos de Redes Fieldbus 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 redes fieldbus incluem: HART. Profibus PA e Fieldbus Foundation, Protocolo HART 29 O protocolo HART (Highway Adress Remote Transducer) um sistema que combina o padrão 4 a 20 ma com a comunicação digital. É um sistema a dois fios com taxa de comunicação de 1.200 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. As vantagens do protocolo HART são as seguintes: Usa o mesmo par de cabos para o 4 a 20 ma e para a comunicação digital. Usa o mesmo tipo de cabo usado na instrumentação analógica. Disponibilidade de equipamentos de vários fabricantes. HART usa a tecnologia FSK para codificar a informação digital it de comunicação sobre o sinal de corrente 4 a 20 ma 30
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. Protocolo HART 31 Alguns equipamentos HART incluem controlador PID em seus algoritmos, implementando uma solução de controle com boa relação custo-benefício 32
Protocolo Foundation 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 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. Comparado a outros sistemas, Foundation Fieldbus permite o acesso a muitas variáveis, não só relativas ao processo, mas também do diagnóstico dos sensores e atuadores, dos componentes eletrônicos, degradação de performance, entre outras. Além disso, há outras características marcantes. Protocolo Foundation Fieldbus 33 Características ti Em redes FF os dados são transmitidos sobre a forma de blocos, os quais cobrem todas as funções da rede. Deste modo, são encontrados três tipos diferentes de blocos relacionados abaixo: Blocos de recurso: contém informações específicas sobre os dispositivos; Atuam, também, como interface entre I/Os físicos e os blocos de função; Blocos de função: utilizados em estratégias de controle. Blocos de transdutor: servem para desacoplar os blocos de função das tarefas de interface com o sensor de campo. Existem, ainda, três modalidades de blocos de função: blocos de função básicas, blocos de funções avançadas a e blocos de funções flexíveis. e Através deles, é possível estabelecer diferentes estratégias de controle, como controle realimentado, em cascata, caracterização de sinais, temporização e integração de alarmes avançados, controle de motores e interfaces para sensores nos barramentos. 34
Blocos Blocos de Controle A estratégia de controle para redes Foundation Fieldbus consiste da seleção dos blocos funcionais e linkagem dos mesmos, o que pode ser feito facilmente por intermédio de softwares auxiliares. A linguagem de programação é basicamente gráfica, e não textual, como costuma-se utilizar em outros controladores. Assim, equipamentos de diversos fabricantes são programados de forma idêntica. 35 A FAMÍLIA PROFIBUS
A FAMÍLIA PROFIBUS PROFIBUS é um padrão de FIELDBUS aberto para largas aplicações, entre elas: Processos contínuos, Manufatura elétrica. A FAMÍLIA PROFIBUS Independência dos vendedores e abertura estão garantidas pelo padrão PROFIBUS EN 50 170. 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 d transmissão de dadosd e tarefas de comunicação complexas e extensas.
A FAMÍLIA PROFIBUS A família de PROFIBUS consiste em três versões compatíveis. PROFIBUS-DP Aperfeiçoado para velocidade alta e montagem barata, esta versão de PROFIBUS é especialmente projetada para comunicação entre sistemas de controle de automatização e I/O distribuído ao nível de dispositivo. PROFIBUS-DP pode ser usado para substituir transmissão paralelaem24v-0a20ma.ou4 a20ma. A FAMÍLIA PROFIBUS PROFIBUS-PA PROFIBUS-PA é especialmente projetado para automatização de processo. Permite conectar sensor e atuadores até mesmo em um barramento comum em áreas intrinsecamente seguras. PROFIBUS-PA permite comunicação de dados e pode ser usado com tecnologia 2 fios de acordo com o padrão internacional IEC 1158-2.
A FAMÍLIA PROFIBUS PROFIBUS-FMS PROFIBUS-FMS é a solução de propósito geral para comunicação de tarefa ao nível de célula. Serviços de FMS poderosos abrem um amplo alcance de aplicações e pro-vêem grandes flexibilidades. PROFIBUS-FMS também pode ser usado para tarefas de comunicação extensas e complexas.