AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL

PARTE 4

TECNOLOGIAS DECOMUNICAÇÃO UTILIZADAS EM

AUTOMAÇÃO

Nestor Agostini

sibratec@sibratec.ind.br

Rio do Sul (SC), 12 de março de 2014

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Os modernos sistemas de automação industrial tendem a serem cada vez mais centralizados empoderosos servidores que controlam indústrias inteiras. Para atingir este grau de especialização foinecessário o desenvolvimento de sistemas de comunicações entre estações de chão de fábrica eservidores centralizados. O texto seguinte apresenta uma breve descrição do processo de automaçãoindustrial utilizando redes industriais.

1. SINAIS ANALÓGICOS E SINAIS DIGITAIS

1.1. Sinais analógicosA transmissão analógica de informações é caracterizada por uma contínua variação na amplitude dosinal transmitido. Os órgãos sensoriais humanos registram os estímulos do ambiente, tais como aluz, o som, o sabor essencialmente sob a forma de sinais analógicos.Na engenharia de processos o sinal de 4...20mA ou 0...5Vdc é transmitido de forma analógica pura.Uma corrente ou uma tensão proporcional ao valor medido de uma grandeza percorre o circuitoentre o transmissor e o controlador. Mudanças na intensidade da corrente/tensão são imediatamenteregistradas por qualquer dispositivo presente no circuito.Um sinal analógico pode transportar muitas informações, como em um sinal acústico, onde se podereconhecer o tom, a intensidade e o timbre. No caso do sinal de corrente de 4...20mA ou 0...5Vdcde tensão, entretanto, somente a intensidade do sinal ou a sua presença ou ausência pode serdeterminada. O sinal digital não varia continuamente, mas é transmitido em pacotes discretos deinformação. A informação não é imediatamente interpretada devendo ser primeiro decodificadapelo receptor. Existem diferentes maneiras de transmiti-la; como pulsos elétricos que saltam entredois diferentes níveis de tensão, em computadores e em barramento de campo, ou , como uma sériede pulsos ópticos ou acústicos de diferentes durações, como ocorre no Código Morse.Não há limitação quanto ao conteúdo do sinal, podendo este transmitir além do valor da variávelmedida, outras informações a respeito do sensor.Uma das vantagens da transmissão digital é a economia de uma conversão D/A no início da linha euma D/A no final. A conversão D/A é feita através de uma amostragem do sinal analógico aintervalos regulares. A taxa de amostragem influencia na resolução da conversão, mas os custos deconversão aumentam, havendo portanto um compromisso entre a precisão e custo na determinaçãoda qualidade da conversão.

1.2. Sinais digitaisNa comunicação digital o sinal, composto de uma série de pulsos de tensão é enviado dotransmissor para o receptor através de um meio de transmissão. Este pode ser um fio, fibra ótica ouondas eletromagnéticas. A informação está contida nas mudanças entre dois níveis de tensão.Convencionalmente o nível alto de tensão representa o nível lógico 1 e a tensão baixa o nível lógico0. A Figura 1.1 ilustra este conceito.

Figura 1.1: Informação representada por uma série de níveis de tensão

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A unidade de informação, representada pelos valores 0 e 1, é denominada bit-binary digit. Osistema de numeração binário, que utiliza estes dois algarismos na sua representação, é usado nosmicroprocessadores. Um bit somente não é suficiente para o processamento de números e textos.Por isto se utiliza o byte, o bloco construtivo dos caracteres alfanuméricos (letras, números e outrossímbolos), constituído de 8 bits, que possibilita a comunicação entre operador e omicroprocessador. A comunicação, envolvendo dois parceiros, exige que ambos seja capaz deinterpretar o sinal. Para isto se utiliza os códigos de controle e de dados, que informam o que estásento transmitido e de que modo. Exemplos de códigos são : o ASCII (Americana Standard Ode of.Informativo Interchange) , o ANSI (American National Standard Institute) e o RTU ( RemoteTerminal Unit). O código hexadecimal é principalmente utilizado no endereçamento de bancos dememória, tendo a vantagem de encurtar a representação numérica facilitando a programação.

2. ESTRUTURAS DE REDES

Uma rede é a conexão de dois ou mais dispositivos através de um meio de transmissão. Em umarede de barramento de campo, o meio pode ser fio, fibra óptica ou um canal de telecomunicação. Aescolha do meio depende da interface e da taxa de transmissão requerida.A topologia de rede descreve a maneira pela qual os vários dispositivos da rede são conectados.Existem varias topologias, que se diferenciam de acordo com três critérios : a disponibilidade, aredundância e a expansibilidade. As três topologias básicas são : estrela, anel e barramento.Na estrutura em estrela, Figura 2.2(a), toda a informação é canalizada através de um nó central, umcomputador de processo. Cada dispositivo é servido por uma conexão própria. Toda troca deinformação entre os diapositivos é manipulada via nó central.

(a) (b)

( c)

Figura 2.2: Estrutura de redes em (a) estrela, (b) anel e (c) barramento

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Nesta topologia falhas nas linhas individuais não são críticas, afetando somente o dispositivo a elasconectado. Pôr outro lado se a estação falhar toda a rede falha.Na estrutura em anel, Figura 2.2(b), não há um controle centralizado. Cada dispositivo assume opapel de controlador em intervalos estritamente predeterminados. Expansibilidade teoricamenteeliminada. Falha em um dispositivo seria suficiente para interromper a comunicação na rede. Isto éevitado utilizando-se chaves “by pass”.Na estrutura em barramento, Figura 2.2(c), todos os dispositivos são conectados a uma linha dedados simples, chamada barramento, ao longo da qual a informação é disponibilizada. Umbarramento com ramos é denominado árvore. A informação chega até um receptor sem a ajuda dequalquer outro dispositivo, agindo estes como elementos passivos, ao contrário do que ocorre naestrutura em anel.A estrutura permite comunicação cruzada entre quaisquer dispositivos conectados, mas atransmissão de dados pelo barramento deve ser regulada com rigor. Apresenta expansibilidadeteoricamente ilimitada.

3. MEIOS DE TRANSMISSÃO

Quanto mais informação e quanto maior a taxa de transmissão necessários maiores são asexigências sobre os meios de transmissão. Isto é particularmente verdadeiro em redes decomunicação industrial, onde as condições podem se afastar muito de ideal devido às possíveisinterferências da maquinaria elétrica pesada. O melhor meio de transmissão depende muito daaplicação.

Figura 3.1: Vários tipos de condutores

A Figura 3.1 apresenta vários tipos de condutores utilizados como meios de conexão de uma redede comunicação.O par trançado é a solução mais econômica na transmissão de dados, possibilitando taxas detransmissão de até 375kbit/s em distâncias de até 300m. Quando encapado aumenta sua imunidadea interferências e melhora a performance.Cabos múltiplos encapados podem ser usados desde que não haja comunicação cruzada entre oscabos. O padrão FIP especifica dois pares de cabos com duplo revestimento permitindo taxas detransmissão de 1Mbit/s sobre distâncias de até 2000m. Em qualquer caso, entretanto, estes meiosdevem ficar bem afastados dos cabos de potência onde grandes cargas são chaveadas. Os caboscoaxiais permitem altas taxas de transmissão e podem transportar várias mensagens

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simultaneamente. Por serem mais caros que os pares trançados serão raramente encontrados nocampo.A capacidade de transmissão das fibras óticas é cinco vezes maior que a dos cabos coaxiais. Sãocompostas de uma fibra de vidro simples e fina, mas que, por motivo de estabilidade recebe váriascamadas de proteção tornando o cabo espesso como um cabo coaxial. Os sinais transmitidos nasfibras óticas são sinais de luz, o que as torna imunes a interferências eletromagnéticas. As fibrasótica permitem taxas de transmissão da ordem de gigabits por segundo. Os métodos de conexãoainda são muito complicados, tornando-as muito caras para sua utilização extensiva em nível decampo.

4. MODOS DE TRANSMISSÃO

Quando um sinal é enviado de um dispositivo para outro, ele deve primeiro passar pela interfacepara o meio de transmissão. Isto pode ser feito de duas maneiras :

1) Transmissão de dados byte a byte com um mínimo de 8 linhas de transmissão paralelas sobreuma interface paralela. Ver Figura 10.4(a). Exemplo : IEC-625/IEEE-488.

2) Transmissão de dados bit a bit sobre uma interface serial, denominada transmissão serial. VerFigura 10.4(b). Requer menos fios do que na transmissão paralela mas o tempo de transmissãoaumenta em função do tamanho do cordão

(a) (b)

Figura 4.1: Transmissão paralela (a) e transmissão serial (b)

de bits transmitido. Exemplos são as interfaces padrão IEEE RS- 232C e RS – 485.A interface tem a finalidade de colocar o sinal gerado pelo dispositivo da rede no meio detransmissão. O cordão de bits pode ser transmitido como um sinal de corrente alternada deamplitude, frequência ou fase moduladas. Ver Figura 10.5. Na recepção o sinal é demodulado pelainterface eletrônica e a informação original é recuperada. Os módulos eletrônicos que executam amodulação e a demodulação fazem parte de toda interface e são projetados para um particularpadrão.

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Figura 4.2: Transmissão de sinal por amplitude e frequência moduladas

4.1. Temporização: Uma interface pode transmitir de dois modos : assíncrono, onde a transmissão pode ocorrer aqualquer tempo; ou síncrono, onde a transmissão está amarrada a um sistema comum de relógioentre transmissor e receptor.A transmissão assíncrona é particularmente adequada para as pequenas mensagens encontradas emsistemas de barramento de campo. Cada byte a ser transmitido é empacotado entre um “start bit” eum “stop bit”. Ver Figura 10.6.O “start bit” informa ao receptor que um byte de dados o segue, e o “stop bit”que a transmissão debyte está completa. O comprimento da mensagem pode ser maior do que um byte desde que istoseja regulamentado. A transmissão assíncrona exige relativamente poucos esforços técnicos,podendo ser utilizado em praticamente todas as situações.

Figura 4.3: Estrutura de um sinal assíncrono

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Na transmissão síncrona o sistema de relógio no transmissor e no receptor devem estar em fase. Istoexige o envio de um “preâmbulo” antes do começo da transmissão. O preâmbulo compõe-se depulsos de bits de sincronização do receptor, da base de tempo e da mensagem, resultando em um“caractere de sincronização”, que deve ser repetida a intervalos regulares. Ver Figura 4.4.

Figura 4.4: Estrutura de um sinal síncrono

A transmissão síncrona, portanto, apresenta mais problemas técnicos do que a assíncrona. Suavantagem, entretanto, está na possibilidade de transmissão de longos blocos de dados maiseficientemente, isto é , com uma alta proporção de dados úteis.

4.2. Sentido da mensagem

O modo da transmissão pode ser classificado em Simplex, Half-duplex e Full-duplex. Ou seja, ainformação pode fluir num único sentido, nos dois sentidos sendo que somente um transmitindo acada vez, ou nos dois sentidos simultaneamente. Os sistemas de comunicações como: telefonia, satélite, Redes, sistemas wireléss,teleprocessamento, etc., usam um desses modos de transmissão. A escolha de qual modo usardepende do que se pretende transmitir.

SIMPLEX No modo Simplex, o fluxo de transmissão flui somente em um sentido, ou seja, um dispositivosó envia os dados e o outro só recebe. Como exemplo, podemos citar uma emissora de Rádio, ondeela só transmite.

Figura 4.5 – Transmissão modo simplex

HALF-DUPLEX No modo Half-duplex ambos os dispositivos transmitem nos dois sentidos, mas, não

simultaneamente. Ou seja, um transmite enquanto o outro espera e vise versa. Esse modo usa um

Figura 4.6 – Transmissão modo half duplex

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FULL-DUPLEX No modo de transmissão Full-duplex, há duas linhas independentes, onde uma é usada paratransmitir e a outra para receber os dados. Ambos os dispositivos transmitem simultaneamente.Como exemplo, podemos citar uma auto-estrada de duas vias onde os veículos rodam nos doissentidos.

A porta Serial RS232 trabalha em modo Full-duplex, através das duas linhas TX-RX.

Figura 4.7 – Transmissão modo full duplex

4.3. Taxa de transmissão

Indica a quantidade de bits por segundo que pode ser transmitida entre transmissor e receptor.Todos os dispositivos em uma rede devem operar a uma mesma taxa de transmissão.A máxima taxa de transmissão é limitada pelo tipo de interface e pelo meio de transmissãoutilizado. Ela também é função do comprimento da linha, pois, a interferência eletromagnéticaaumenta com o comprimento da linha. O par trançado, o cabo múltiplo, o cabo coaxial e as fibrasóticas apresentam taxa de transmissão admissível crescente nesta ordem.

4.5. InterfacesNo campo as linhas de transmissão devem ser baratas e confiáveis, exigências que se refletem notipo de condutor utilizado, mas também na interface adotada. Assim, apesar da alta taxa detransmissão atingível, uma interface paralela como o patrão IEC-625/IEEE-488, que exige 16linhas para enviar 1Byte de informação, o seu custo de instalação é muito alto neste nível.Por esta razão a interface padrão no nível de campo é a serial. Os custos de instalação mais baixos(menos conectores e cabos), linhas longas, e transmissão mais segura compensam de sobra as taxasde transmissão menores.

a) Interface ParalelaA interface paralela não é utilizada em redes de conectividade comerciais. Isto em função dosproblemas existentes neste tipo de interface, sendo o mais significativo a distância máximatransmissão que pode ser realizada com esta interface, 8 metros.Fisicamente, os sinais são transmitidos em nível TTL (Transistor Transistor Logic): 0 lógico = 0 Ve 1 lógico = 5 Vdc. O conector utilizado é o DB25 cuja pinagem está apresentada abaixo. O dB25 fêmea está localizadono comutador e o DB25 macho está localizado no cabo.

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Figura 4.8: Interface paralela

b) Interfaces Seriais

As interfaces seriais são as mais utilizadas em redes para automação e/ou controle. Basicamente, háduas formas de comunicação serial:

- Padrões RS (Recommended Standart)- USB (Universal Serial Bus)

Fisicamente a interface serial é realizada com conectores DB9 ou conector USB, conforme figurasabaixo.

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Figura 4.9: Interface serial

Figura 4.10: Conectores USB

O sistema USB foi desenvolvido para ser um sistema padrão, ou seja, todos os equipamentos seriaisproduzidos pela indústria passariam a ter um código de fabricação. Através deste código, nomomento em que o dispositivo é conectado à rede, ele seria reconhecido, não havendo maisnecessidade de ressetar máquinas para inicializar novos componentes. Na prática já ocorremdistorções: nem todos os componentes tem o seu código padronizado e alguns não são reconhecidosde imediato pelo sistema.A rede USB funciona como mostrado na Figura 4.11.

Figura 4.11: Rede USB

5. MÉTODOS DE TRANSMISSÃO

5.1. Método de transmissão “single-ended”: As comunicações de informações eletrônicas entre elementos irão geralmente se enquadrar entreduas categorias: single-ended e diferencial. O RS232 (single-ended) foi introduzido em 1962, eapesar dos rumores de que teria uma vida curta, permaneceu sendo largamente utilizado pelasindústrias. As especificações permitem para transmissão de dados de um transmissor para umreceptor baixas taxas ( ate 20K bits/segundo) e distâncias curtas (ate 50 pés)

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Canais independentes são estabelecidos para dois caminhos de comunicação (full-duplex). Os sinaisdo RS-232 são representados por níveis de voltagem relacionados ao sistema comum. O estado nulo(MARK) tem o nível de sinal negativo em relação ao comum e o estado ativo (SPACE) tem o nívelde sinal positivo em relação ao comum. O RS232 possui numerosas linhas “handshaking” (primeiramente utilizadas com modems) etambém especifica um protocolo de comunicação. Em geral se você não estiver conectado a ummodem a linha “handshaking” pode apresentar muitos problemas, caso não esteja desabilitada porsoftware. O RTS (Request to send) tem alguma utilidade em certas aplicações. O RS423 e outraespecificação single ended com melhoria de operação sobre o RS232; entretanto não tem sidomuito usado pela indústria.

5.2. Método “differential data transmission”: Quando comunicando em altas taxas de transmissão, ou por longas distâncias em ambientes reais,métodos “Single-ended” são geralmente inadequados. O método “differential data transmission”(sinal diferencial balanceado) oferece performance superior na maioria das aplicações. Os sinaisdiferenciais podem ajudar a anular os efeitos dos sinais de ruído induzido que podem aparecer comomodos de tensão comum na rede. O RS-422 (diferencial) foi designado para maiores distâncias e maiores taxas de transmissões emrelação ao RS-232. Na sua forma mais simples, um par de conversores de RS-232 para RS-422 (evice-versa) pode ser usado para formar uma “Extensão do Rs-232”. Transmissão de dados até 100Kbps e distâncias até 4000 pés podem ser supridas com o Rs-422. Este padrão é tambémespecificado para aplicações “mult-drop” onde apenas um driver é conectado a, e transmite em, umbarramento (“bus”) de até 10 receivers.

Enquanto uma aplicação do tipo “mult-drop” apresenta muitas vantagens desejáveis, equipamentosem RS-422 não podem ser utilizados para construir uma rede multi-ponto confiável. Uma redeverdadeiramente multi-ponto consiste em múltiplos drivers e receivers conectados em um únicobarramento, onde todos os nós podem transmitir ou receber dados.Redes “Quasi” multi-drop (4-fios) são geralmente construídas usando equipamentos RS-422. Estasredes normalmente operam no modo “half-duplex”, onde um único “mestre” no sistema envia umcomando para um dos muitos equipamentos “escravos” em uma rede. Tipicamente um equipamentoé endereçado para que possa receber os dados atribuídos a ele. Sistemas deste tipo (4-fios – half-duplex) normalmente são construídos para evitar problemas de colisão de dados (contenção debarramento). O padrão RS-485 encontra os requisitos para uma rede multi-ponto confiável, pois especificapadrões para até 32 drivers e 32 receivers um único barramento (2-fios). Com a introdução derepetidores automáticos e drivers/receivers de alta impedância, esta limitação pode ser estendidapara centenas (ou até milhares) de nós em uma rede. O padrão RS-485 aumenta o modo de

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Multi-drop: sistema em que os equipamentos terão de "disputar" o direito de transmitir em primeiro lugar ao longo do Bus

Multi-port: sistema em que o NT1, por exemplo , alimenta diretamente dois ou maisdispositivos

Ponto a ponto: sistema em que somente dois aparelhos participam da comunicação

transmissão comum para os drivers/receivers no modo “tri-state”. Os drivers RS-485 podem resistira problemas de colisão de dados (contenção de barramento) e a falhas de condições do barramento.Para resolver o problema da colisão de dados presentes em redes multi-drop, unidades de hardware(conversores, repetidores, controles de microprocessadores) podem ser construídos para ficar emmodo de recepção até que os dados estejam prontos para serem transmitidos. Sistemas de um únicomestre (muitos outros esquemas de comunicação estão disponíveis) oferecem uma maneira simplesde evitar colisão de dados em um típico sistema de 2-fios, half-dulpex e multi-drop. O mestre iniciaum pedido de comunicação a um “nó escravo” pelo endereçamento desta unidade. O hardwaredetecta o bit de inicialização da transmissão e automaticamente habilita o transmissor RS-485. Umavez enviado o caractere, o hardware volta ao modo de recepção em aproximadamente 1 – 2microssegundos. Qualquer número de caracteres pode ser enviado, onde o transmissor irá automaticamente re-disparar com cada novo caractere (ou em muitos casos um esquema temporizador “bit-oriented” éusado em conjunto com uma rede preparada para uma operação automática, incluindo qualquer taxade transmissão e/ou qualquer especificação de comunicação). Uma vez endereçada, uma unidade“escrava” está pronta para responder imediatamente por causa do curto tempo de duração datransmissão de um equipamento automático. Não é necessário introduzir grandes “delays”em umarede para evitar colisão de dados. Por que “delays” não são necessários, as redes podem serconstruídas com taxa de transmissão de dados de até 100% de “throuput put”.

RS – 232CO padrão estabelece as características físicas e elétricas para a transmissão serial de bits. Define ossinais de reconhecimento para os equipamentos padrões de controle para linhas telefônicas emodems.Eletricamente o sistema é baseado em pulsos de +12V (0 lógico) e –12V (1 lógico) nos quais osdados são codificados. Mecanicamente, o padrão define conectores de 9 pinos e 25 pinos. Compõe-se principalmente de três linhas : a de transmissão, a de recepção e a do potencial de referência.

Figura 5.1 – Níveis lógicos na RS232

RS – 422Define uma interface balanceada, mas não define um conector físico. Fabricantes que aderiram aeste padrão usam muitos conectores diferentes, incluindo os terminais de parafusos, DB9, DB25com pinagem não padronizada, DB25 com padrão RS-530 e DB37 com padrão RS-449. O RS-422

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é comumente usado em comunicações ponto a ponto realizadas por um driver dual-state. Astransmissões podem ir a grandes distâncias e altas velocidades.

Figura 5.2 – Transmissão na RS422

Características gerais:

Sinais: A RS422 possui sinais de comunicação Tc+, Ra+, Tc- e RX-, sendo o Tc aquele que envia e Ra o que recebe. O modo de transmissão é por diferencial elétrico. Pode utilizar outros sinais paracontrole.

Número Max de equipamentos: 10 em uma conexão de barramento único.

Distância Max.: Até 1200 metros para o último ponto.

RS-449 - Especifica o padrão de pinagem para RS422/423 com conectores DB9 e DB37.

RS-530 - Especifica o padrão de pinagem para interfaces balanceadas como a RS422 paraconectores DB25.

RS-485 - é semelhante ao RS-422, exceto pelo fato dos drivers associados serem tri-state e nãodual-state. Pode ser utilizado em aplicações multiponto em que um computador controla muitosdispositivos diferentes. Até 64 dispositivos podem ser conectados com o RS-485.

Figura 5.3 – Transmissão na RS485

Sinais: A RS485 possui sinais de comunicação Tc+/Ra-, Tc-/ RX+, sendo o Tc aquele que envia e oRa o que recebe. O modo de transmissão é por diferencial elétrico. Pode utilizar outros sinais paracontrole.

Número Max de equipamentos: 32 em uma conexão de barramento único.

Distância Max.: Até 1200 metros para o último ponto.

IEEE 1158-2Interface intrinsecamente segura, apoiada pela WorldFFIP e PROFIBUS PA, semelhante á camadafísica da FIP (usa o código Manchester II de transmissão de dados). A interface usa um preâmbulo

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de sincronização e adiciona um delimitador de começo e de fim de dados transmitidos. Ainconfundível natureza dos delimitadores e a monitoração estrita do tempo do sinal proporcionauma transmissão muito segura a altas taxas e longas distâncias.A interface pode suprir potência intrinsecamente segura para até 10 dispositivos. Banda portadora : digital, um canal cabo coaxial, 5Mbit/s a 1000m.Banda larga : analógico, multiplexados independentes, cabo coaxial, 10Mbit/s a distâncias dequilômetros.

Abaixo tabela de especificação dos padrões: RS232, RS423, RS422 e RS48:

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6. ACESSOS A BARRAMENTOS

Quando um computador passa dados para uma impressora em uma conexão ponto a ponto, não há questõesrelativas a forma como o que é permitido transmitir e como o meio de transmissão é acessado. Quandovários dispositivos de comunicação estão presentes em uma linha simples, entretanto, deve haver regrasclaras para a comunicação. Há dois métodos distintos para regular o acesso ou a arbitragem do barramento:

1) O Mestre Fixo (controle centralizado do barramento), onde o acesso ao barramento pelos dispositivos écontrolado por um mestre central. Como exemplo temos o método Mestre-Escravo e o métodoArbitrador de Barramento.

2) O Mestre Volante (controle descentralizado do barramento). Devido à sua inteligência, cada dispositivotem condições, ele mesmo, de controlar o barramento quando ele quer se comunicar. Dois modelos de

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SPECIFICATIONS RS232 RS423 RS422 RS485

Modo de operaçãoTerminação

simples

Terminação

simplesDiferencial Diferencial

Número total de dispositivos emu ma

linha (para RS485, somente um driver

ativo a cada instante)

1 DRIVER

1 RECEPTOR

1 DRIVER

1 RECEPTOR

1 DRIVER

10 RECEPTOR

32 DRIVER

32 RECEPTOR

Comprimento máximo do cabo 16,5 m 1200 m 1200 m 1200 mVelocidade máxima de transmissão

(40ft. - 4000ft. for RS422/RS485)20kb/s 100kb/s

10Mb/s-

100Kb/s

10Mb/s-

100Kb/s

Voltagem máxima na saída +/-25V +/-6V -0.25V to

+6V-7V to +12V

Voltagem máxima na saída Carregado+/-5V to +/-

15V +/-3.6V +/-2.0V +/-1.5V

Voltagem máxima na saída Sem carga +/-25V +/-6V +/-6V +/-6VImpedância de saída (Ohms) 3k to 7k >=450 100 54 Máx. Corrente de saída

em estado altoLigado N/A N/A N/A +/-100uA

Máx. Corrente de saída

em estado altoDesligado

+/-6mA @ +/-

2v+/-100uA +/-100uA +/-100uA

Taxa de subida (máx) 30V/uS Ajustável N/A N/A

Faixa de voltagem do receptor +/-15V +/-12V-10V to

+10V-7V to +12V

Sensibilidade de entrada do receptor +/-3V +/-200mV +/-200mV +/-200mV Resistência de entrada do receptor

(Ohms), (Para RS485, carga padrão) 3k to 7k 4k min. 4k min. >=12k

controle descentralizado já alcançaram aceitação mundial : o “Carrier Sense Multiple Access withColision Detection” (CSMA/CD) e o “Token Passing”.

Mestre-Escravo Neste método, encontrado em aplicações de campo e de sensor/atuador, um dispositivo de barramento é omestre. O principio é mostrado na Figura 10.12 . O mestre endereça os dispositivos no barramento um de cada vez. Ele os alimenta com dados, e/ou pede aeles que transmitam seus dados, por exemplo, o status ou valores medidos. A segurança dos dados dependeda estrutura protocolar e dos métodos de checar erros. A interface e o meio de transmissão tambéminfluenciam a performance geral da transmissão.

Arbitrador de BarramentoA Figura 6.1 ilustra um método híbrido (centralizado/descentralizado) de controle de barramento baseado noprincipio da difusão. Todo dispositivo transmite e recebe. O direito de transmitir é organizado por um controlador central,denominado arbitrador de barramento. A cada variável produzida por um único dispositivo é dado um nome.Ela é definida como sento produzida por um único dispositivo mas pode ser consumida por qualquer númerode dispositivos da rede. Cada dispositivo é autônomo, exigindo-se apenas que ele envie sua variável quandosolicitado pelo arbitrador. Ele também deve reconhecer as variáveis por ele mesmo processadas.

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Figura 6.1: Método Mestre – EscravoFigura 6.2: Método Arbitrador de Barramento

O arbitrador nomeia as variáveis de acordo uma tabela. Com este princípio de acesso todos os dispositivosque consomem uma particular variável são atualizados simultaneamente.

Método CSMA/CDO princípio é ilustrado na figura 6.3. Todos os dispositivos no barramento têm o direito de transmitir. Cadaum sensoria continuamente o barramento. Se ele estiver livre, então qualquer dispositivo pode transmitir seusdados. Se vários dispositivos querem transmitir simultaneamente, uma colisão é detectada eles recuam. Umatemporização aleatória em cada dispositivo determina então um intervalo de tempo para que ele tentenovamente. O CSMA/CD é um método encontrado em nível de administração ou nos níveis mais altos de sistemas deautomação. Raramente ele será encontrado em nível de campo, pois não há estrita periodicidade devarredura.

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Figura 6.3: Método CSMA/CD

Token PassingNeste método o “token”, ou seja, o direito de transmitir, é passado de dispositivo para dispositivo. Acirculação do token é real ou lógica. A sequência de passagem depende da aplicação e é definida durante oplanejamento do sistema. O princípio é mostrado na Figura 6.4. Este método dá a cada dispositivo direito igual de acesso ao barramento, pois, a cada um é permitidotransmitir dentro de um período de tempo predefinido. O tempo gasto para passar o token em torno desistema determina a frequência de audiência de cada membro.Este método de acesso é usado em aplicações de controle e de campo, onde a resposta a eventos na periferiado processo deve ser dada dentro de um tempo específico.

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Figura 6.4: Método Token Passing

7. MODELO DE INTERCONEXÃO DE SISTEMAS ABERTOS

Em 1978 a I S O (International Standards Organization), diante da proliferação de sistemas de redes fechadasdefiniu um Modelo de Referência para a Comunicação de Sistemas Abertos, chamado OSI ( Open SystemsInterconnection). Ele se aplica a todos os sistemas de comunicação, desde um computador pessoal operandoem uma rede até a comunicação entre satélites e suas estações terrestres.Redes proprietárias tornam evidentes dois problemas : a impossibilidade de atendimento completo de todas anecessidades de sistemas de grandes companhias e o crescente custo de softwares especiais para interfaceardiferentes redes.Em 1984 o modelo OSI foi aceito como o padrão internacional I S O 7498-1. Desde então trabalha-se comprotocolos de redes baseado neste padrão.O modelo de referência OSI é uma estrutura modular, contendo sete camadas que governam a transmissão dedados entre vários sistemas, assim como em um sistema único com várias redes heterogêneas. Ver Figura7.1.

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Figura 7.1: Modelo de Referência I S O / OSI

Cada camada tem uma função particular. A comunicação dentro de um sistema heterogêneo é possível se asfunções dentro de cada camada seguirem o padrão.Uma descrição resumida da função de cada camada é apresentada a seguir :

Camada 1 – Camada física – Responsável pela transmissão de dados através do meio físico entre dois nósadjacentes. Os protocolos se referem qualidades dos bits de informação e especificações de cabeamento,conectores, etc.,Camada 2 – Camada de Enlace – Assegura que a informação pode ser trocada entre dois nós adjacentes.Camada onde os dados serão preparados para a transmissão. Responsável também pela transferência dedados sem falha para a próxima camada.Camada 3 – Camada de Rede – Controla o intercâmbio de dados entre nós não adjacentes. Roteia ospacotes de informação pela rede para a correspondente camada de destina.Camada 4 – Camada de Transporte – Assegura que as informações são confiavelmente trocadas entre nósfinais. Manipula detecção de erros nos subsistemas 1 a 3 .Camada 5 – Camada de Sessão – Sincroniza sessões de comunicação entre duas aplicações.Camada 6 – Camada de Apresentação – Converte informações codificadas localmente em um códigocomum aos parceiros em comunicação. Faz a tradução entre os códigos.Camada 7 – Camada de Aplicação – Oferece serviços OSI compreensíveis diretamente pelos programasde aplicação.

O modelo OSI serve como um padrão de comunicação para grandes e pequenos sistemas. Para uma rede de barramento de campo, que com frequência compreende um controlador, sensores e atuadores somente, a estrutura completa não é necessária. Ao invés disto, as camadas de aplicação, de enlace de dados e a camada física são usadas junto com uma camada de sub- aplicação exercendo a função das camadas do modelo ausentes. Para ele também é adicionada a Camada do Usuário.

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8: PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO – MODBUS

O protocolo Modbus foi desenvolvido pela Modicon Industrial Automation Systems, hoje Schneider, paracomunicar um dispositivo mestre com outros dispositivos escravos. Embora seja utilizado normalmente sobreconexões seriais padrão RS-232, ele também pode ser usado como um protocolo da camada de aplicação deredes industriais tais como TCP/IP sobre Ethernet e MAP. Este é talvez o protocolo de mais larga utilizaçãoem automação industrial, pela sua simplicidade e facilidade de implementação. O protocolo Modbus é baseado em um modelo de comunicação mestre-escravo, onde um único dispositivo, omestre, pode iniciar transações denominadas queries. Os demais dispositivos da rede (escravos) respondem,suprindo os dados requisitados pelo mestre ou executando uma ação por ele comandada. Geralmente omestre é um sistema supervisório e os escravos são controladores lógicos programáveis. Os papéis de mestree escravo são fixos, quando se utilizacomunicação serial, mas em outros tipos de rede, um dispositivo pode assumir ambos os papéis, embora nãosimultaneamente.

Atividades do "mestre" da rede:O "mestre" tem quatro atividades: 1- Assegurar a troca de informação entre os terminais. Os terminais não podem dialogar entre eles, o"mestre" assegura a passagem das diferentes informações. 2- Assegurar o diálogo com o operador do sistema (diálogo homem/máquina).O "mestre" é em geral constituído por um gráfico que permite visualizar de modo dinâmico a evolução doprocesso em curso. Graças à gestão de eventos pelo "mestre", é possível seguir de modo preciso qualquerprocesso, com vista a uma manutenção preventiva, prevendo avarias ou incidentes. 3- Assegurar um diálogo com outros "mestres" ou com um computador para uma gestão centralizada doconjunto do processo. 4- Assegurar a programação ou passagem de parâmetros para os "escravos" a fim de obter a flexibilidade daprodução.

Protocolo MODBUS:Existem dois modos de transmissão: ASCII (American Code for Informastion Interchange) e RTU(Remote Terminal Unit), que são selecionados durante a configuração dos parâmetros decomunicação.

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Codificação de mensagens sobre o Protocolo MODBUS:

O formato das mensagens transmitidas é padronizado de acordo com o tipo de protocolo MODBUS utilizado.

Formato da mensagem no tipo ASCII:

Formato da mensagem no tipo RTU:

Os únicos identificadores através dos quais o dispositivo mestre pode reconhecer a resposta parauma determinada mensagem são o endereço do dispositivo escravo e a função solicitada. Assim, oenvio de múltiplas requisições, em que tais parâmetros coincidam, deve ser feito ordenadamente,isto é, cada mensagem só deve ser enviada, depois que a resposta para a mensagem anterior forrecebida. Não há problema em se enviar simultaneamente comandos iguais para dispositivos

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diferentes ou comandos diferentes para um mesmo dispositivo, As trocas de informação são feitaspor iniciativa do "mestre" que envia a questão, o "escravo" destinatário interpreta-a e envia umaresposta. Uma mensagem sobre o protocolo MODBUS é constituída por um conjunto de caracteres hexadecimais,incluindo quatro tipos de informação:

- O número do "escravo" (1 byte), que designa o destinatário da mensagem; - O código da função a realizar (1 byte), que designa um comando de escrita ou leitura sobre o TES; - O endereço respectivo (2 bytes), que designa a posição de memória do TES; - Os dados a transmitir (p bytes), que designa os parâmetros relativos à função; - Uma palavra de controle (2 bytes), que serve para detectar os erros de transmissão chamada CRC (CyclicRedundancy Check). Funções possíveis:Existem três tipos de troca de mensagens- Leitura de dados; - Escrita de Dados; - Difusão de dados.

Código hexadecimal das funções a realizar ... Para realizar uma difusão de dados o endereço ou número do "escravo" (TES) a utilizar deve ser 0 hex. Nestecaso todos os "escravos recebem enviada pelo "mestre", executando simultaneamente a sua ordem semenviarem nenhuma resposta, (caso de sincronização de telecomandos, reset de contadores...).

Estrutura da mensagem entre Mestre -MODBUS- Escravo:Exemplo da estrutura da mensagem a enviar e receber segundo o protocolo MODBUS, para a função leitura

de n palavras. Obs: Trama no gráfico significa ‘mensagem’. Gráfico extraído de texto com português de Portugal.

Exemplo de uma mensagem MODBUS a enviar ao TES: Leitura de 1 palavra do "escravo" número 1, endereço 01 hex <=> leitura do estado das 4 entradas digitais do

TES número 1. Mensagem de questão: 01 04 00 01 00 01 60 0AMensagem de resposta: 01 04 02 00 0F F9 34 (caso as 4 entradas do TES estejam a 1 - ativas)A Mensagem deve ser enviada em ASCII, sem espaços entre os diversos bytes que a constituem e semcaracteres de início e fim de trama.

Considerações:Todos os bytes constituintes da trama, são em hexadecimal. O CRC 16 é constituído por dois bytes hex.,

estes são invertidos antes de enviados na trama, isto é, o byte menos significativo passa a ocupar olugar do byte mais significativo e vice-versa. Isto, para um melhor controle de erros de transmissão. Oconjunto de todos os bytes constituintes da mensagem, são codificados caractere por caractere emASCII antes de serem enviados aos TES’s. Deve-se ter atenção, por que o TES tem a seguinteconfiguração fixa: Baud rate = 9600 bps; 8 bits de data; parity even (par); 1 bit de stop, logo o"mestre", deve estar configurado do mesmo modo para estabelecer comunicação com os "escravos"TES.

9: FOUNDATION FIELDBUS

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O Fieldbus é uma rede de transmissão de dados para comunicação com equipamentos de instrumentação econtrole de plantas industriais, tais como transmissores, atuadores e controladores, podendo, inclusive, serutilizado em aplicações que requeiram especificações quanto aos requisitos de segurança intrínseca. Estarede é do tipo digital, serial, half-duplex e multi-drop. Ela é digital porque as informações são transmitidasem forma de mensagens de acordo com as camadas de comunicação definidas pelo protocolo Fieldbus;serial, porque as informações são transmitidas e recebidas bit a bit; half-duplex, porque a comunicação ébidirecional, porém, em uma única direção a cada instante e multidrop, porque é permitida a comunicaçãoentre vários equipamentos conectados à rede.

O fieldbus surgiu com o objetivo de interligar e operar os instrumentos de campo com característicasdiferentes e de diversos fabricantes. Usufruindo de toda sua inteligência através de uma rede,proporcionando a descentralização das tarefas. Esta interligação incorpora vantagens como: maior imunidadea ruídos, pré-processamento em dados específicos, transmissão de informações adicionais dos dadoscapacitando o diagnóstico do dispositivo e a previsão de falhas, redução dos custos de projeto, de fiação, deinstalação e de expansão, entre outras. A descentralização das tarefas, é muitas vezes vista como umapossibilidade de espalhar entre vários dispositivos um determinado programa ou processo de controle nabusca de melhor uso de suas características. Para alcançar uma maior confiabilidade foi prevista acapacidade de, em caso de pane do dispositivo, sua substituição imediata por outro implementando o mesmoprograma. Como os dispositivos podem ser diferentes e de diferentes fabricantes, a padronização das funçõesa serem distribuídas nos mesmos foi necessária. Estas funções são chamadas de Blocos Funcionais (FB-Function Blocks). A interligação desses blocos funcionais é que define a estratégia de controle eprogramação do processo a ser controlado. Na configuração especifica-se a escolha do FB e em quedispositivo será executado.

A versatilidade do fieldbus permite, em caso de pane em alguns deles, a reconfiguração automática on-line,especificando em qual dispositivo o(s) FB(s) do dispositivo em pane será(ão) executado(s). Sem estapadronização internacional a redundância de FB's (conseqüentemente a redundância de dispositivos) ficalimitada a só ser implementada em dispositivos iguais e dos mesmos fabricantes. A verdadeirainteroperabilidade e intercambiabilidade fica inviável.

O Fieldbus é um protocolo interoperável suportado pela quase totalidade dos fabricantes mundiais deinstrumentação. Ao seu término deverá ter reconhecimento mundial, devido ao comprometimento destesfabricantes em seguir um padrão único. A opção de baixa velocidade para Fieldbus é 25 vezes mais rápidaque os protocolos comuns para transmissores inteligentes, além de ser muito mais eficiente. Esta versão dofieldbus foi projetada para usar o mesmo tipo de fiação dos transmissores analógicos e inteligentes, parafacilitar a substituição do sistema. O fieldbus é baseado no modelo OSI (Open System StandardsOrganization) para representar as várias funções requeridas em uma rede de comunicação. O fieldbus não ésó mais um protocolo de comunicação digital. Ele foi concebido para a indústria de controle de processos demodo a atender plenamente a todos os itens de uma lista longa e antiga de desejos do usuário. Esta lista dedesejos inclui itens tais como: - estar de acordo com o modelo ISO/OSI; - uso de cabos de conexão deutilização industrial normal; - segurança intrínseca para atmosferas perigosas; - variáveis identificadas portags e expressas em unidades de engenharia; - variáveis com status, onde o status indique as condições davariável; - blocos de função, com parâmetros de entrada e saída padronizados, parâmetros de configuraçãopadronizados e algoritmos padronizados.

Aplicações:Uma das primeiras instalações usando o FF que foi capaz de demonstrar a interoperabilidade de dispositivosde vários fabricantes em uma mesma rede foi implementada em 3 de Junho de 1997 na cidade de Daishowano estado de Washington, onde a instalação era composta de 1 host, 6 transmissores, 6 entradas analógicas e5 saídas analógicas; durante 18 meses foram realizadas diversas experiências, analisando-se os benefícios,problemas com manutenção, treinamento, etc... Hoje, plantas muito maiores podem ser citadas comoexemplos de aplicações utilizando Fieldbus Foundation pode ser encontrados em instalações como as da SFT- França, BASF - Bélgica, Estação Geradora de Mohave - USA, CFE - México.

Tecnologia Fieldbus

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O Foundation Fieldbus é um sistema da comunicação totalmente digital, em série e bidirecional que conectaequipamentos “fieldbus” tais como sensores, atuadores e controladores. O fieldbus é uma rede local (LAN)para automação e instrumentação de controle de processos, com capacidade de distribuir o controle nocampo.

Figura 9.1: Rede fieldbus com controle centralizado

Ao contrário dos protocolos de rede proprietários, o Fieldbus não pertence a nenhuma empresa, ou éregulado por um único organismo ou nação.A tecnologia é controlada pela Fieldbus Foundation uma organização não lucrativa que consiste em mais de100 dos principais fornecedores e usuários de controle e instrumentação do mundo. O Foundation Fieldbusmantém muitas das características operacionais do sistema analógico 4-20 mA, tais como uma interfacefísica padronizada da fiação, os dispositivos alimentados por um único par de fios e as opções de segurançaintrínseca, mas oferece uma série de benefícios adicionais aos usuários.

Benefícios do fieldbusa) InteroperabilidadeCom a interoperabilidade, um dispositivo Fieldbus pode ser substituído por um dispositivo similar commaior funcionalidade de um outro fornecedor na mesma rede do Fieldbus, mantendo as característicasoriginais. Isto permite aos usuários mesclar dispositivos de campo e sistemas de vários fornecedores.Dispositivos individuais Fieldbus podem também transmitir e receber a informação de multivariáveis,comunicando-se diretamente um com o outro sobre o barramento Fieldbus, permitindo que novosdispositivos sejam adicionados ao barramento sem interromper o controle.

b) Dados de Processo Mais CompletosCom o Foundation Fieldbus, as variáveis múltiplas de cada dispositivo podem ser trazidas ao sistema decontrole da planta para a análise, arquivo, análise de tendência, estudos de otimização de processo e geraçãode relatórios. Este acesso aos dados mais exatos e de alta resolução, permite um ajuste fino do processo paramelhor operação, reduzindo o tempo ocioso da planta. Estas características permitem um maior desempenhoe lucratividade mais elevada da planta.

c) Vista expandida do processoDispositivos modernos Fieldbus, com comunicação poderosa microprocessada permitem que os erros deprocesso possam ser reconhecidos mais rapidamente e com uma maior certeza. Como consequência, osoperadores de planta são notificados de condições anormais ou da necessidade de manutenção preventiva, epodem tomar melhores decisões sobre a produção. Os problemas que diminuem a eficiência operacional são

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corrigidos mais rapidamente, permitindo um aumento no rendimento enquanto que o custo de matéria primae os problemas de emissões perigosas diminuem.

d) Melhor Segurança da PlantaA tecnologia Fieldbus ajuda as plantas a manter as exigências de segurança, cada vez mais restritas.Fornecendo operadores com notificação e aviso antecipados de circunstâncias perigosas pendentes e atuais, oFieldbus permite a ação corretiva antes de uma parada não planejada. As potencialidades de diagnósticoampliadas da planta reduzem também a necessidade do acesso frequente às áreas perigosas, minimizandoassim os riscos do pessoal no campo.

e) Manutenção Proativa Mais FácilAs potencialidades ampliadas de diagnóstico dos dispositivos de campo possibilitam monitorar e registrarcondições como o desgaste da válvula e entupimento do transmissor. O pessoal da planta pode executar amanutenção proativa sem esperar uma parada programada, evitando ou reduzindo assim o tempo ocioso daplanta.

f) Redução de Custos de fiação e de ManutençãoO Foundation Fieldbus usa a fiação existente e as conexões multi-drop fornecem economias significativasnos custos de instalação. Isto inclui reduções nos custos de barreira de segurança intrínseca e de cabos,particularmente nas áreas onde a fiação está já no lugar. Redução de custo adicional pode ser conseguidacom a redução do tempo necessário para a construção e partida, bem como com a simplificação daprogramação das funções do controle e da lógica, usando os blocos de função embutidos nos dispositivos. Deacordo com estimativas atuais, há agora sistemas Foundation Fieldbus em operação em mais de 25 países.Estima-se hoje que aproximadamente 80 por cento de todas as novas instalações de sistemas de controle deplanta que utilizam a tecnologia fieldbus são compatíveis com o Foundation Fieldbus.

10.9.3. Possibilidades de Topologias fieldbus

As topologias mais comumente utilizadas em um sistema FIELDBUS são :

a) Topologia de Barramento com Spurs : Nesta topologia utiliza-se um barramento único ondeequipamentos ou barramentos secundários (spurs) são conectados diretamente a ele. Pode-se ter ainda váriosequipamentos diferentes em cada spur.

Figura 9.2: Rede tipo spurs

b)Topologia Ponto a Ponto : Nesta topologia tem-se a ligação em série de todos os equipamentos utilizadosna aplicação . O cabo FIELDBUS é roteado de equipamento para equipamento neste segmento e éinterconectado nos terminais de cada equipamento FIELDBUS. As instalações que utilizam esta topologia

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devem usar conectores de forma que a desconexão de um simples equipamento não interrompa acontinuidade do segmento.

Figura 9.3: Rede ponto a ponto

c) Topologia em Árvore : A topologia em árvore concentra em acopladores/caixas de campo a ligação devários equipamentos. Devido à sua distribuição, esta topologia é conhecida também como "Pé de Galinha".

Figura 9.4: Topologia árvore

d) Topologia End to End : Esta topologia é utilizada quando se conecta diretamente apenas dois equipamentos. Esta ligação pode estar inteiramente no campo (um transmissor e uma válvula sem nenhum outro equipamento conectado) ou pode ligar um equipamento de campo (um transmissor) ao Device Host.

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Figura 9.5: Topologia final

e) Topologia Mista : Nesta configuração encontra-se as três topologias mais comumente utilizadas entre si.Deve-se observar no entanto, o comprimento máximo do segmento que deve incluir o comprimento dosspurs no comprimento total.

Figura 9.6: Rede Mista

Blocos Funcionais: AI – Entrada Analógica O bloco AI pega os dados do transdutor de entrada da fábrica e deixa-o disponível para outros blocosfuncionais na sua saída. PID – Controle PID O bloco PID é a chave para vários diagramas de controle e é usado quase que universalmente, com exceçãodo PD, que é usado quando o processo faz a própria integração. Enquanto existir um erro, a função PIDintegrará o erro, que move a saída na direção a corrigir o erro. Blocos PID podem ser ligados em cascataquando a diferença nas constantes de tempo do processo forem necessárias. Esta é uma técnica muito

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simples e segura que trabalha bem para constantes de tempo relativamente pequenas, encontradas naprimeira linha de controle do processo. AO – Saída Analógica O bloco de saída analógica é um bloco funcional usado por equipamentos quetrabalham como elementos de saída em um loop de controle como válvulas, atuadores, posicionadores, etc. Obloco AO recebe um sinal de outro bloco funcional e trabalha sobre ele para fazê-lo compatível com anecessidade do hardware. Tipicamente, a saída de um bloco AO é conectada a um bloco transdutor de saída. ARTH – Aritmético O bloco aritmético de aplicação geral é da classe do bloco de cálculo. Ele não usanenhuma forma de escala. Ele não tem estrutura em cascata e seleção de set-point. Ele somente opera sobreentradas escalares. Ë usado para calcular uma saída que é um valor escalar, como uma função de até quatrosaídas das cinco entradas de acordo com um algoritmo selecionado. INT – Integrador O bloco funcional integrador integra uma variável na função de tempo ou acumula acontagem de um bloco de entrada de pulso. ISS – Seletor do Sinal de Entrada O bloco seletor de sinal fornece seleção de até três entradas e gera umasaída baseada na ação configurada. Este bloco normalmente receberá sua entrada de um bloco AI ou de outrobloco. Em adição à seleção de sinal o bloco também pode selecionar o maior, o menor, o intermediário, omultiplex e primeira seleção boa. CHAR – Caracterizador de Sinal O bloco caracterizador de sinal tem duas saídas que são uma função nãolinear das entradas respectivas. A função é determinada por uma tabela com coordenadas X-Y de vintepontos cada. SPLT – Seletor de Saída/Splitter O bloco splitter é um bloco de controle que geralmente é usado conectadoao bloco AO. AALM – Alarme Analógico O bloco de alarme analógico fornece informações das condições de alarmesobre uma saída analógica de qualquer bloco. CIAD – Dados Analógicos da Entrada de Comunicação. Este bloco é um grupo de oito entradas analógicasFieldbus CIDD – Dados Digitais da Entrada de Comunicação. Este bloco é um grupo de oito entradas digitaisFieldbus. COAD – Dados Analógicos da Saída de Comunicação. Este bloco é um grupo de oito saídas analógicasFieldbus. CODD – Dados Digitais da Saída de Comunicação .Este bloco é um grupo de oito saídas digitais Fieldbus. SPG – Gerador de Setpoint. O bloco gerador de setpoint normalmente é usado para gerar um setpoint para obloco PID em aplicações como controle de temperatura, reatores por batelada, etc. Nessas aplicações osetpoint deve seguir uma certa curva na função de tempo. ABR – Bridge Analógico. Este bloco funcional tem oito parâmetros de entrada/saída do dados tipo DS-33,cujo objetivo principal é a transferência de dados conectáveis entre canais no mesmo cartão PCI. DENS – Densidade Este bloco funcional tem um algoritmo para calcular densidade em diferentes tipos deunidades de engenharia como Plato Degree, Brix e TC. O algoritmo para calcular a densidade é baseado napressão em dois pontos do tanque com uma diferença de altura conhecida. Usando a diferença de pressão e aaltura, é calculada a densidade, que é compensada pela temperatura e convertida para unidades deengenharia.DBR – Bridge Digital Este bloco funcional tem oito parâmetros de entrada/saída do dados tipo DS-34, cujoobjetivo principal é a transferência de dados conectáveis entre canais no mesmo cartão PCI. 10. PROTOCOLO DE COMUNICAÇÃO PROFIBUS

Profibus (Process Field Bus)O Profibus foi desenvolvido na Alemanha inicialmente pela Siemens em conjunto com a Bosch e a KocklerMoeller em 1987. Posteriormente, 13 empresas e 5 centros de pesquisa propuseram alterações. O Profibusrepresenta a alternativa alemã de padronização internacional do Fieldbus. Esta proposta é, atualmente,apoiada por cerca de 110 empresas europeias e estrangeiras. Em 1996 tornou-se o padrão da comunidadeeuropeia sob a designação de EN50170. Em 2000 foi ratificado na norma internacional IEC61158 eIEC61784.

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O PROFIBUS especifica as características técnica e funcionais de um sistema de comunicação industrial,através do qual dispositivos digitais podem se interconectar, desde do nível de campo até o nível de células.O PROFIBUS é um sistema multi-mestre e permite a operação conjunta de diversos sistemas de automação,engenharia ou visualização, com seus respectivos dispositivos periféricos (por ex. I/O’s). O PROFIBUS diferencia seus dispositivos entre mestres e escravos. Dispositivos mestres determinam acomunicação de dados no barramento. Um mestre pode enviar mensagens, sem uma requisição externa,sempre que possuir o direito de acesso ao barramento (o token). Os mestres também são chamados deestações ativas no protocolo PROFIBUS. Os dispositivos escravos são dispositivos remotos (de periferia),tais como módulos de I/O, válvulas, acionamentos de velocidade variável e transdutores. Eles não têm direitode acesso ao barramento e só podem enviar mensagens ao mestre ou reconhecer mensagens recebidasquando solicitados. Os escravos também são chamados estações passivas. Já que para executar estas funçõesde comunicação somente um pequena parte do protocolo se faz necessária, sua implementação éparticularmente econômica.

O padrão Profibus subdivide-se em três famílias: Profibus-FMS, Profibus-DP e Profibus-PA . A primeirafamília está situada no segundo nível da pirâmide (cell level), já as outras duas estão voltadas para o fieldbus

e serão abordadas com maior detalhe.

Figura 10.1 - Famílias do padrão Profibus

Esta família foi desenvolvida (1994) para fazer a comunicação entre os sistemas de controle (controladores)e os elementos de campo através da configuração mestreXescravo. O sistema pode ser configurado comomono-master (apenas um mestre) ou multi-master (com vários mestres), neste último as entradas podem serlidas por todos os mestres, e cada mestre aciona apenas suas respectivas saídas. A topologia utilizada é emlinha, utilizando o par trançado ou fibra óptica como meio físico. A transmissão dos dados é feita através deRS-485 e a taxa de transmissão está relacionada com a distância do cabo (9,6 Kbit/s® 1200m, 500 Kbit/s®400m, 12000Kbit/s® 100m por exemplo). O sistema comporta 32 estações sem a utilização de repetidores eaté 127 estações com a utilização de repetidores. Quando do término do meio físico da rede, a mesmanecessita da colocação de um terminador de rede (resistor de terminação), responsável por garantir aimunidade a ruídos e determinar o final da rede.Profibus-PA

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Esta família foi desenvolvida (1995) de acordo com a norma IEC 1158-2, a qual é utilizada na automação econtrole de processos contínuos, principalmente no setor químico e petroquímico. O Profibus-PA permiteque os sensores e atuadores sejam conectados ao bus (barramento) mantendo a segurança intrínseca doselementos requerida pelo processo. A transmissão é baseada nos seguintes princípios:

o cada segmento possui apenas uma fonte de alimentação; o quando a estação está mandando dados não existe energia no barramento; o todo equipamento possui um consumo constante de corrente; o são permitidas as topologias em linha, estrela ou árvore; o para aumentar a confiabilidade, segmentos de rede redundantes podem ser disponibilizados.

InterbusO padrão Interbus foi concebido em 1984, teve sua tecnologia desenvolvida pela empresa Phoenix Contacte utiliza o princípio mestreXescravo através do protocolo denominado "One Total Frame".O sistema é composto por três tipos de elementos:

• Controlador: o controlador é denominado Host Controller Board (HCB) e pode ser acoplado emPC’s ou CLP’s, ou ainda possuir interface para um nível mais alto de rede, desenvolvendo ao mesmotempo funções de "master" e "slave".

• Rede física: a rede física ou remote bus é constituída por um único cabo de comunicação, compostopor três pares trançados. Pode-se utilizar também fibra óptica como meio físico. O cabo pode chegaraté 13 km de comprimento, fazendo-se necessária a utilização de repetidores a cada 400m.

• Elementos de campo: os escravos (sensores e atuadores) podem ser inteligentes, não inteligentes oumistos. Hoje estão disponíveis mais de 2000 produtos compatíveis, tais como: módulos de I/Oremotos, terminais de válvulas, placas de interface para robôs, válvulas de controle, encoders,inversores de frequência, ...

A rede possui uma capacidade de 4096 pontos de I/O’s distribuídos em 256 nós e uma taxa de transmissãode 500 Kbits/s. Nos sistemas INTERBUS existem dois tipos de ciclos de dados: ciclo de reconhecimento eciclo de regime. O ciclo de reconhecimento ocorre quando o sistema é energizado e é responsável pelaestruturação dos buffers de I/O’s para o funcionamento. Após, inicia-se o ciclo de regime, onde os dados deentrada e saída são atualizados entre o controlador e os elementos de campo.

ConclusãoCom a conclusão deste trabalho de pesquisa e informação, verificamos que as tecnologias denominadasfieldbus são extremamente recentes no mercado brasileiro, necessitando um forte trabalho de esclarecimentoe divulgação, para que os técnicos e profissionais da área tenham consciência e saibam das vantagens de suautilização na indústria.Em relação à divulgação e esclarecimento do assunto, esse trabalho serve como material bibliográfico,tornando-se uma fonte de consulta clara e objetiva sobre os conceitos e padrões das tecnologias fieldbus.Qualquer profissional da área de automação industrial pode usá-lo para consultas e esclarecimentos.Em qualquer ramo da indústria mundial há necessidade de controle, onde há controle podem ser aplicadas astecnologias fieldbus, então concluímos que no Brasil, esta tem plenas condições de se tornar, em um curtoespaço de tempo, a técnica de controle mais utilizada em toda a indústria.

• Em muitos trechos do trabalho, informamos as inúmeras vantagens das tecnologias fieldbus sobre osistema de controle convencional, como exemplo, para conclusão desta pesquisa, podemos citar:

• Otimização dos recursos financeiros; • Rede aberta; • Tecnologia avançada; • Imunidade a ruídos eletromagnéticos; • Flexibilidade na montagem e alteração; • Versatilidade; • Inteligência; • Fácil expansão; • Descentralização; • Configuração remota; • Custos reduzidos com montagem e projeto; • Agilidade na manutenção;

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Figura 10.2: Camadas Profibus

Na ponta da pirâmide ou PC Manager temos a gerencia do processo fabril onde se encontra o maior volume

de informação. Na parte intermediaria da pirâmide temos as células de PLC onde se encontra todo o controle

da automação. E, finalmente, na parte inferior estão situados os dispositivos de chão de fabrica responsáveis

pelo processo de fabricação.

11. CONTROLE SUPERVISÓRIO

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Figura 10.1 – Tela típica dos sistemas de controle supervisório

Os sistemas supervisórios permitem que sejam monitoradas e rastreadas informações de umprocesso produtivo ou instalação física. Tais informações são coletadas através de equipamentos deaquisição de dados e, em seguida, manipulados, analisados, armazenados e, posteriormente,apresentados ao usuário. Estes sistemas também são chamados de SCADA (Supervisory Controland Data Aquisition).Os primeiros sistemas SCADA, basicamente telemétricos, permitiam informar periodicamente oestado corrente do processo industrial, monitorando sinais representativos de medidas e estados dedispositivos, através de um painel de lâmpadas e indicadores, sem que houvesse qualquer interfaceaplicacional com o operador.Atualmente, os sistemas de automação industrial utilizam tecnologias de computação ecomunicação para automatizar a monitoração e controle dos processos industriais, efetuando coletade dados em ambientes complexos, eventualmente dispersos geograficamente, e a respectivaapresentação de modo amigável para o operador, com recursos gráficos elaborados (interfaceshomem-máquina) e conteúdo multimídia.Para permitir isso, os sistemas SCADA identificam os tags, que são todas as variáveis numéricas oualfanuméricas envolvidas na aplicação, podendo executar funções computacionais (operaçõesmatemáticas, lógicas, com vetores ou strings, etc) ou representar pontos de entrada/saída de dadosdo processo que está sendo controlado. Neste caso, correspondem às variáveis do processo real (ex:temperatura, nível, vazão etc), se comportando como a ligação entre o controlador e o sistema. Écom base nos valores das tags que os dados coletados são apresentados ao usuário.Os sistemas SCADA podem também verificar condições de alarmes, identificadas quando o valorda tag ultrapassa uma faixa ou condição pré-estabelecida, sendo possível programar a gravação deregistros em Bancos de Dados, ativação de som, mensagem, mudança de cores, envio de mensagenspor pager, e-mail, celular, etc.Resumo

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Os componentes físicos de um sistema de supervisão podem ser resumidos, de forma simplificada,em: sensores e atuadores, rede de comunicação, estações remotas (aquisição/controle) e demonitoração central (sistema computacional SCADA).Os sensores são dispositivos conectados aos equipamentos controlados e monitorados pelossistemas SCADA, que convertem parâmetros físicos tais como velocidade, nível de água etemperatura, para sinais analógicos e digitais legíveis pela estação remota. Os atuadores sãoutilizados para atuar sobre o sistema, ligando e desligando determinados equipamentos.O processo de controle e aquisição de dados se inicia nas estações remotas, PLCs (ProgrammableLogic Controllers) e RTUs (Remote Terminal Units), com a leitura dos valores atuais dosdispositivos que a ele estão associados e seu respectivo controle. Os PLCs e RTUs são unidadescomputacionais específicas, utilizadas nas instalações fabris (ou qualquer outro tipo de instalaçãoque se deseje monitorar) para a funcionalidade de ler entradas, realizar cálculos ou controles, eatualizar saídas. A diferença entre os PLCs e as RTUs é que os primeiros possuem maisflexibilidade na linguagem de programação e controle de entradas e saídas, enquanto as RTUspossuem uma arquitetura mais distribuída entre sua unidade de processamento central e os cartõesde entradas e saídas, com maior precisão e sequenciamento de eventos.A rede de comunicação é a plataforma por onde as informação fluem dos PLCs/RTUs para osistema SCADA e, levando em consideração os requisitos do sistema e a distância a cobrir, pode serimplementada através de cabos Ethernet, fibras ópticas, linhas dial-up, linhas dedicadas, rádiomodems, etc.As estações de monitoração central são as unidades principais dos sistemas SCADA, sendoresponsáveis por recolher a informação gerada pelas estações remotas e agir em conformidade comos eventos detectados, podendo ser centralizadas num único computador ou distribuídas por umarede de computadores, de modo a permitir o compartilhamento das informações coletadas.

Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos oumódulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a soluçãodesejada.Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em: Núcleo de processamento; Comunicação com PLCs/RTUs; Gerenciamento de Alarmes; Históricos e Banco de Dados; Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle; Interface gráfica; Relatórios; Comunicação com outras estações SCADA; Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos; Outros.A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos processos de comunicaçãocom os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleo principal dosoftware. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informações para osdemais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, na interface gráficaou console de operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações,

Internamente, os sistemas SCADA geralmente dividem suas principais tarefas em blocos oumódulos, que vão permitir maior ou menor flexibilidade e robustez, de acordo com a soluçãodesejada.Em linhas gerais, podemos dividir essas tarefas em: Núcleo de processamento;

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Comunicação com PLCs/RTUs; Gerenciamento de Alarmes; Históricos e Banco de Dados; Lógicas de programação interna (Scripts) ou controle; Interface gráfica; Relatórios; Comunicação com outras estações SCADA; Comunicação com Sistemas Externos / Corporativos; Outros.A regra geral para o funcionamento de um sistema SCADA parte dos processos decomunicação com os equipamentos de campo, cujas informações são enviadas para o núcleoprincipal do software. O núcleo é responsável por distribuir e coordenar o fluxo dessas informaçõespara os demais módulos, até chegarem na forma esperada para o operador do sistema, na interfacegráfica ou console de operação com o processo, geralmente acompanhadas de gráficos, animações,relatórios, etc, de modo a exibir a evolução do estado dos dispositivos e do processo controlado,permitindo informar anomalias, sugerir medidas a serem tomadas ou reagir automaticamente.As tecnologias computacionais utilizadas para o desenvolvimento dos sistemas SCADA têmevoluído bastante nos últimos anos, de forma a permitir que, cada vez mais, aumente suaconfiabilidade, flexibilidade e conectividade, além de incluir novas ferramentas que permitemdiminuir cada vez mais o tempo gasto na configuração e adaptação do sistema às necessidades decada instalação.

A principal funcionalidade de qualquer sistema SCADA está ligada à troca de informações, quepodem ser, basicamente: Comunicação com os PLCs/RTUs; Comunicação com outras estações SCADA; Comunicação com outros sistemas.A comunicação com os equipamentos de campo, realizada através de um protocolo em comum, cujametodologia pode ser tanto de domínio público ou de acesso restrito, geralmente pode ocorrer porpolling ou por interrupção, normalmente designada por Report by Exception.A comunicação por polling (ou Master/Slave) faz com que a estação central (Master) tenha controleabsoluto das comunicações, efetuando sequencialmente o polling aos dados de cada estação remota(Slave), que apenas responde à estação central após a recepção de um pedido, ou seja, em half-duplex. Isto traz simplicidade no processo de coleta de dados, inexistência de colisões no tráfego darede, facilidade na detecção de falhas de ligação e uso de estações remotas não inteligentes. Noentanto, traz incapacidade de comunicar situações à estação central por iniciativa das estaçõesremotas. Já a comunicação por interrupção ocorre quando o PLC ou o RTU monitora os seusvalores de entrada e, ao detectar alterações significativas ou valores que ultrapassem os limitesdefinidos, envia as informações para a estação central. Isto evita a transferência de informaçãodesnecessária, diminuindo o tráfego na rede, além de permitir uma rápida detecção de informaçãourgente e a comunicação entre estações remotas (slave-to-slave). As desvantagens destacomunicação são que a estação central consegue detectar as falhas na ligação apenas depois de umdeterminado período (ou seja, quando efetua polling ao sistema) e são necessários outros métodos(ou mesmo ação por parte do operador) para obter os valores atualizados.A comunicação com outras estações SCADA pode ocorrer através de um protocolo desenvolvidopelo próprio fabricante do sistema SCADA, ou através de um protocolo conhecido via rede EthernetTCP/IP, linhas privativas ou discadas.A Internet é cada vez mais utilizada como meio de comunicação para os sistemas SCADA. Atravésdo uso de tecnologias relacionadas com a Internet, e padrões como Ethernet, TCP/IP, HTTP e

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HTML, é possível acessar e compartilhar dados entre áreas de produção e áreas de supervisão econtrole de várias estações fabris. Através do uso de um browser de Internet, é possível controlarem tempo real, uma máquina localizada em qualquer parte do mundo. O browser comunica com oservidor web através do protocolo http, e após o envio do pedido referente à operação pretendida,recebe a resposta na forma de uma página HTML. Algumas das vantagens da utilização da Internete do browser como interface de visualização SCADA são o modo simples de interação, ao qual amaioria das pessoas já está habituada, e a facilidade de manutenção do sistema, que precisa ocorrersomente no servidor. Já a comunicação com outros sistemas, como os de ordem corporativa, ousimplesmente outros coletores ou fornecedores de dados, pode se dar através da implementação demódulos específicos, via Bancos de Dados, ou outras tecnologias como o XML e o OPC.

12. BILBLIOGRAFIA

Os textos apresentados neste trabalho são notas de aula do Curso de Engenharia de Produção daUNIDAVI (Universidade para o Desenvolvimento do Alto Vale do Itajaí – Rio do Sul (SC) ecomplementados com textos retirados da internet.Pedimos desculpas por não poder citar todos os autores.

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