Avaliação da utilização de tecnologia de comunicação sem fio em redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus - PDF
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Lucca Martini Gonçalves
1 Universidade Federal de Pernambuco Centro de Tecnologia e Geociências Curso de Especialização em Engenharia de Instrumentação Avaliação da utilização de tecnologia de comunicação sem fio em redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus Leonardo Tavares do Nascimento Orientador: Prof. José Sérgio da Rocha Neto D. Sc. Monografia apresentada ao Centro de Tecnologia e Geociências da Universidade Federal de Pernambuco como parte dos requisitos para obtenção do Certificado de Especialista em Engenharia de Instrumentação Recife, 2008
2 Resumo Avaliação da utilização de tecnologia de comunicação sem fio em redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus Leonardo Tavares do Nascimento Março/2008 Orientador: Prof. José Sérgio da Rocha Neto D. Sc. Área de concentração: Eletrônica Palavras-chaves: automação, redes industriais, comunicação sem fio Na automação industrial, o uso de redes de comunicação tem sido importante para as melhorias das ações de controle e de monitoramento. Objetiva-se com as redes de campo permitir uma maior integração entre o nível de gerenciamento e o nível de supervisão da planta industrial com os controladores e instrumentos de campo. Dentre as principais redes industriais em uso, a PROFIBUS e a FOUNDATION Fieldbus se destacam pelo crescimento no número de instalações, especialmente na área de controle de processos (indústrias químicas e petroquímicas). A tecnologia de transmissão, utilizando-se redes de comunicação sem fio vem conquistando espaço, devido às vantagens associadas como redução de cabos e mobilidade. Nas aplicações industriais, o padrão ZigBee possui características que o tornam atrativo. A utilização de redes de comunicação sem fio na automação industrial esbarra nas limitações dessas tecnologias e na necessidade de modificar as infra-estruturas operantes. Devido às propriedades especiais da transmissão sem fio, não é desejável que todos os nós de uma rede industrial fieldbus sejam sem fio. Também ainda não é recomendável utilizar esta tecnologia de comunicação em aplicações de controle críticas, remanescendo a monitoração como principal área de atuação dos sistemas sem fio. Desta forma, uma solução híbrida abrangendo a coexistência de transmissão por cabos e transmissão sem fio se torna mais atraente. Neste caso, os dispositivos cabeados precisam se comunicar com os nós sem fio, trazendo a necessidade de formas de interconexão. O objetivo deste trabalho é investigar as formas de interconexão entre redes industriais fieldbus e redes de sensores sem fio, mais especificamente a integração de redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus com redes sem fio no padrão ZigBee, analisando características, propriedades e restrições existentes.
3 Conteúdo 1. INTRODUÇÃO AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL REVISÃO HISTÓRICA REDES INDUSTRIAIS FIELDBUS PROFIBUS PROFIBUS DP PROFIBUS PA PROFIBUS FMS PROFINET FOUNDATION FIELDBUS FOUNDATION Fieldbus H FOUNDATION Fieldbus HSE ESTUDO COMPARATIVO ENTRE PROFIBUS DP E FOUNDATION FIELDBUS H TECNOLOGIA SEM FIO EM PLANTAS INDUSTRIAIS REDES DE SENSORES SEM FIO ZIGBEE Arquitetura Camada física e camada MAC Camada de rede e camada de aplicação INTERCONEXÃO ENTRE REDES FIELDBUS E REDES SEM FIO PROFIBUS + ZIGBEE FOUNDATION FIELDBUS + ZIGBEE CONCLUSÕES CONCLUSÃO REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS... 59
4 4 1. Introdução No mercado atual globalizado, em que há uma busca por vantagens tecnológicas que permitam ao seu usuário competir de maneira eficaz, a automação industrial passou a ser um requisito. No ramo da indústria do petróleo, especialmente no segmento do refino, a otimização de recursos e redução de custos faz-se imprescindível. As inovações na área de processo em si são poucas, ficando para as áreas de controle e instrumentação a responsabilidade por alcançar tais objetivos. A necessidade de a informação poder ser disponibilizada em vários locais simultaneamente, mostrando resultados em tempo real da cadeia de produção, faz com que as redes de comunicação de dados estejam cada vez mais presentes no cotidiano industrial, ocasionando uma constante busca por novas técnicas e meios de estabelecer essa comunicação. A instrumentação em rede constitui um conceito interessante no domínio industrial, na medida em que permite a distribuição do processamento e controle pelos diversos instrumentos que estão ligados à rede. Dá-se o nome de redes industriais fieldbus aos sistemas de controle industrial com este tipo de arquitetura. Uma característica muito importante em muitas destas redes é a sua interoperabilidade, ou seja, a possibilidade do instrumento de um fabricante poder ser substituído por outro de qualquer fabricante, com a conservação de todas as características funcionais. À medida que os benefícios das redes industriais fieldbus se tornam mais aparentes, cresce o número de usuários adeptos desta tecnologia. Espera-se que o mercado mundial de soluções fieldbus na indústria de processos cresça a taxas anuais de 22,3% nos próximos cinco anos. A movimentação financeira neste mercado foi maior que US$ 831 milhões em 2006 e há previsões que possa ultrapassar os US$ 2,279 bilhões em 2011, de acordo com um estudo realizado pela ARC Advisory Group [39]. Atualmente o número de nós (estações, dispositivos) por instalação está crescendo drasticamente. Essa evolução acontece em conjunto com os avanços das redes de sensores. Os progressos tecnológicos dos sistemas micro-eletromecânicos (MEMS micro-electromechanical systems) têm provocado mudanças em ambientes industriais de forma intensa. A cada dia, novos dispositivos de tamanhos reduzidos e com elevada capacidade de atuação estão sendo encontrados no mercado. Novos protocolos de comunicação também têm trazido vários benefícios para as indústrias em geral [29]. Se extrapolarmos a experiência de outros campos da tecnologia, podemos tentar desenhar a próxima evolução: os preços dos dispositivos irão cair, e ao mesmo tempo a performance irá crescer, permitindo a integração de cada vez mais inteligência aos instrumentos. Assim, poderemos ter redes complexas com cerca de um milhão de nós trabalhando juntos [6]. Tais
5 5 sistemas serão os desafios nas próximas décadas. A mais promissora área de investigação para a evolução tecnológica é o domínio sem fio [6]. Pesquisa realizada no ano de 2005 pela ON World Inc. [26], com grande parte das maiores companhias de petróleo e gás natural do mundo, revelou que todas as empresas pesquisadas adotam tecnologia sem fio acoplada em seus sistemas supervisórios e planejavam, em curto prazo, investimento em tecnologia de monitoramento remoto para suas plantas industriais. Os benefícios no uso de tal tecnologia são: ausência de cabeamento propenso a falhas, alta flexibilidade, e até mesmo mobilidade. Os problemas também existem: atenuação, desvanecimento, multipercurso, estações temporariamente ocultas, e o simples acesso de intrusos. Até agora, as opções de comunicação sem fio têm sido usadas apenas para substituir o cabeamento de dados convencional [6]. Um uso eficiente da comunicação sem fio necessitaria de uma redefinição de pelo menos a camada inferior das redes industriais fieldbus. A avaliação das tecnologias sem fio disponíveis com relação à sua aplicabilidade em automação é o primeiro passo nessa direção. Neste capítulo é apresentado o conceito de automação industrial e sua evolução histórica, tratando sobre redes industriais e tecnologia de transmissão sem fio. Uma definição mais detalhada sobre redes industriais fieldbus é realizada no Capítulo 2, que também esclarece o motivo da escolha das redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus, descrevendo as características de ambas. O Capítulo 3 aborda a utilização de tecnologias de transmissão sem fio em ambientes industriais, citando os padrões existentes, expondo o porquê da escolha do ZigBee, e detalhando as propriedades deste padrão. As minúcias da interconexão entre as redes industriais fieldbus escolhidas e redes sem fio que adotem o padrão ZigBee, relatando as possíveis formas de realização, os requisitos e as limitações, são encontradas no Capítulo 4. Por fim, é feita uma avaliação geral do estudo realizado, apontando os aspectos relevantes observados Automação industrial Automação é o uso de qualquer dispositivo mecânico ou eletro-eletrônico para controlar máquinas e processos, podendo ser realizado por um computador, que substitua o trabalho humano em favor da qualidade dos produtos, da redução dos custos, da rapidez da produção ou da segurança das pessoas, assim aperfeiçoando os complexos objetivos das indústrias e serviços. Atualmente, envolve a implantação de sistemas interligados e assistidos por redes de comunicação, compreendendo sistemas supervisórios e interfaces humano-máquina que possam auxiliar os operadores na supervisão e análise dos problemas. Na Figura 1 representa-se a chamada pirâmide de automação, com os diferentes níveis de automação encontrados em uma planta industrial. A pirâmide pode ser descrita em cinco níveis [1]: Nível 1: dispositivos de campo, como sensores e atuadores;
6 6 Nível 2: nível dos controladores (CLPs) e de algum tipo de supervisão associada ao processo; Nível 3: permite o controle do processo produtivo da planta, normalmente constituído por banco de dados; Nível 4: responsável pela programação e pelo planejamento da produção; Nível 5: administração dos recursos da empresa, em que se encontra a gestão de todo o sistema. As redes de campo ocupam os dois níveis inferiores da pirâmide de automação. Figura 1 - A pirâmide de automação Para grandes aplicações existe a necessidade de se estabelecer um critério de como será feita a aquisição de dados utilizando-se de CLPs, de estações remotas e demais equipamentos inteligentes do chão de fábrica. Uma maneira simples de fazer isso é colocar todas as interfaces para se comunicar com os equipamentos. Isso gera baixo desempenho de comunicação, uma vez que todos os computadores precisam acessar os dados ao mesmo tempo. Outra forma é um sistema acessando os dados dos CLPs e disponibilizando-os para outros sistemas através de uma rede de computadores, totalmente independente da rede de CLPs, utilizando-se por exemplo, sistemas configuráveis SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) que são destinados à supervisão, ao controle e à aquisição de dados em plantas industriais, sendo muito populares [1]. A utilização dos microprocessadores na indústria possibilitou a realização do controle digital centralizado, que possui as seguintes características: cabeamento paralelo utilizando fios em
7 7 par trançado e topologia estrela; transmissão de dados entre os dispositivos (sensores e atuadores) e a unidade de controle, na forma de sinais analógicos e digitais. A grande quantidade de dispositivos e as longas distâncias causam altos custos de instalação e manutenção. Outra limitação é a falta de flexibilidade para extensões ou modificações. Para superar essas dificuldades, foram desenvolvidos sistemas de automação de controle centralizado e barramento. Nesse sistema a estação de controle comunica-se com os dispositivos através de um barramento. Suas características são: controle centralizado e transmissão digital em topologia de barramento. O avanço na tecnologia e a demanda do mercado levaram ao desenvolvimento de sistemas de controle conhecidos como barramento de campo distribuído. As características desses sistemas são: inteligência distribuída, usando microcontroladores ao longo do barramento; redução de cabeamento; unidades de conexão (gateways, pontes, repetidores, etc.). Atualmente, implementando melhorias em relação a esses sistemas, foram desenvolvidos os chamados sistemas de controle distribuído, que se caracterizam por: meios variados de comunicação; implementação mais completa para sistemas abertos; flexibilidade completa para topologias de rede; software e ferramentas de desenvolvimento mais amigáveis. Na área de instrumentação a revolução ocorreu mais lentamente. Era necessário dotar os instrumentos de mais inteligência e fazê-los se comunicar em rede. O padrão 4-20 ma para transmissão de sinais analógicos tinha que ceder lugar a transmissão digital. A princípio foi desenvolvido um protocolo (HART Highway Addressable Remote Transmiter) que aproveitava o próprio cabeamento existente, fazendo transitar sinais digitais sobre sinais analógicos 4-20 ma. O HART é uma tecnologia híbrida de transição do modelo analógico para o digital, que permanece até hoje em utilização [3]. Depois surgiu uma profusão de padrões e protocolos que pretendiam ser o único e melhor barramento de campo industrial Revisão histórica No final da década de 50 o uso da instrumentação pneumática já estava consolidada, quando aparecem os transmissores e controladores eletrônicos analógicos, com o padrão 4-20 ma. O novo padrão possibilitou a transmissão desse sinal a distâncias bem superiores que o sistema pneumático, permitindo o aumento na quantidade de informação vinda do processo para as salas de controle. Nos anos 60 inicia-se o uso de computadores para o controle de processos, aparecendo o conceito do Controle Digital Direto (DDC - Direct Digital Control). Um único grande computador era responsável pelo controle de processo da planta [5]. O inconveniente estava na centralização de todo o cabeamento entre o campo e a sala de controle, pois cada instrumento ou equipamento precisava de um par de condutores. No fim dos anos 60 aparece no segmento de manufatura um equipamento com a finalidade
8 8 de substituir as lógicas a relés, os controladores lógicos programáveis (CLP, ou do inglês PLC Programmable Logic Controller). Concebido inicialmente para a indústria automobilística, possuía apenas entradas e saídas digitais. Com o passar do tempo passou a incorporar também entradas e saídas analógicas, passando a ser usado também na área de controle de processo. No início dos anos 70 já estava em curso a utilização de redes de comunicação e apareciam os minicomputadores. Essas tecnologias possibilitaram o aparecimento de uma nova arquitetura para controle de processo, denominado de Sistema Digital de Controle Distribuído (DCS Distributed Control System) [5]. O processamento que até então era realizado em um só computador passou a ser distribuído por computadores menores denominados de controladores. A partir dos anos 80 aparece um novo conceito de arquitetura para controle de processo conhecido como SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition). Parecido com o DCS, no que se refere à arquitetura, no lugar de controladores existem as RTUs (Remote Terminal Units). As RTUs são CLPs que se comunicam com os instrumentos de campo, executam os algoritmos de controle e comunicam-se com os microcomputadores. Por volta de 1980 surge também a primeira instrumentação digital [5]. Esta é caracterizada por conter um microprocessador, que lhe permitiu aumentar as potencialidades, com a capacidade de processamento local. Mas como a transmissão de sinal continuava sendo analógica, todo esse potencial ficava limitado. A indústria já sinalizava a necessidade de utilizar um meio de comunicação digital, que permitisse o aumento do trânsito de informações do campo para a sala de controle, e vice-versa. Surge uma nova arquitetura denominada de Fieldbus Control System (FCS). Devido à versatilidade, a criação de sistemas fieldbus tornou-se uma ocupação tendenciosa para muitas empresas de automação. Apesar dos benefícios, o número de diferentes sistemas fieldbus que surgiam não era bem visto pelos consumidores, acostumados com a compatibilidade presente nos sistemas já existentes, e temerosos com a possibilidade de ficarem presos a um único fabricante. Esta situação dificultou a disseminação dos novos conceitos [6]. Como conseqüência, organizações de usuários foram fundadas para conduzir a definição e promoção de sistemas fieldbus, independentemente das empresas. Surgindo assim a idéia de sistemas abertos. Figura 2 - A evolução do conceito de controle de processo
9 9 Em 1985, o comitê IEC SC65C iniciou o esforço de definir um padrão fieldbus uniforme e internacional para a automação industrial e de processos. Os dois maiores projetos de rede de campo nessa época eram o FIP (Flux Information Processus ou Factory Instrumentation Protocol) e o PROFIBUS, desenvolvidos respectivamente na França em 1982 e na Alemanha em Suas abordagens eram completamente diferentes. Um fieldbus universal deveria combinar os benefícios de ambos, e nos anos seguintes se viram esforços para encontrar uma convergência entre as duas abordagens. A ISA (Instrumentation, Systems and Automation, que naquela época se chamava Instrument Society of America) e o IEC (International Electrotechnical Comission) decidiram juntar esforços e deste ponto em diante o trabalho técnico ficou a cargo da ISA SP50, enquanto que o IEC restringiu-se as atividades de organização dos processos de deliberação. Devido à incapacidade dos comitês em achar uma solução, os grandes fabricantes de sistemas de automação lançaram duas iniciativas para chegar a um acordo [6]. A fundação do projeto WorldFIP, em 1993 tinha o objetivo de adicionar as funcionalidades do modelo clienteservidor ao FIP. Por outro lado, o ISP (Interoperable System Project) empreendeu-se em demonstrar, a partir de 1992, como o PROFIBUS poderia ser melhorado com o modelo publishersubscriber semelhante ao encontrado no FIP. Com o fim do projeto ISP, por questões estratégicas, muitos de seus antigos membros juntaram forças com integrantes do WorldFIP norte-americano e formaram a Fieldbus Foundation. Esta nova associação iniciou a definição de uma nova rede de campo para processos industriais: a FOUNDATION Fieldbus. Enquanto a discussão sobre a padronização acontecia, os sistemas fieldbus atacaram o mercado, investindo em desenvolvimento de protocolos e equipamentos, e já existiam muitas instalações em funcionamento. Os comitês nacionais na Europa, após longas discussões, chegaram a um acordo sem precedentes: todos os padrões nacionais seriam considerados padrões europeus. Enquanto isso, a Fieldbus Foundation preparava sua própria especificação. Esse trabalho acabou influenciando no comitê do IEC, e para vários de seus membros isto parecia ser o fim de um longo debate. Contudo, o projeto não foi aprovado em votação. Como, de acordo com as regras de padronização européias, seguindo o Acordo de Dresden (Dresden Agreement, tratado firmado entre o IEC e o CENELEC), um padrão internacional se sobrepõe, os defensores do PROFIBUS temiam que o FOUNDATION Fieldbus obtivesse vantagem competitiva e que o PROFIBUS perdesse terreno [6]. Dessa forma, os países onde o PROFIBUS dominava organizaram-se para impedir a aprovação do padrão. Em julho de 1999, representantes dos principais adversários envolvidos na questão (Fieldbus Foundation, Fisher Rosemount, ControlNet International, Rockwell Automation, Profibus User Organization e Siemens) assinaram um memorando de entendimento com o intuito de
10 10 terminar a guerra em torno do padrão fieldbus. A idéia era criar um padrão abrangente, acomodando todos os sistemas fieldbus. Finalmente, o padrão de rede de campo internacional, IEC 61158, foi lançado em 31 de dezembro de Este padrão contém uma coleção de módulos de especificação úteis para a implementação de fieldbuses, de acordo com o observado na Tabela 1. Tabela 1 - Padrão IEC Documentos IEC Conteúdo Introdução Especificação da camada física Definição dos serviços da camada de enlace Especificação dos protocolos da camada de enlace Definição dos serviços da camada de aplicação Especificação dos protocolos da camada de aplicação Simultaneamente ao desenvolvimento das redes fieldbus, as técnicas de comunicação também sofreram modificações. Diversos são os meios de transmissão disponíveis atualmente: fios, cabos, fibras óticas e ondas eletromagnéticas. Inúmeros também são os protocolos e padrões usados para suprir as exigências destes meios por onde trafegam os dados. As tecnologias de comunicação industrial acompanham tais evoluções, incorporando-as, e sempre visando a melhor solução para os problemas existentes.
11 2. Redes industriais fieldbus 11 As redes de campo são redes locais de comunicação, bidirecionais, projetadas e utilizadas para interligar entre si instrumentação industrial de medida, dispositivos de controle e sistemas de operação industriais [5]. Eis a definição de redes fieldbus dada pelo IEC 61158: Uma rede de campo é um barramento de dados digital, serial, multidrop, para comunicação com dispositivos de controle e dispositivos de instrumentação tais como transdutores, atuadores e controladores locais, não sendo restrito a estes. Os sistemas fieldbus estão presentes em todos os domínios da automação: controle de processo, automação residencial, construção de máquinas, aplicações ferroviárias e automotivas, e aviação. Alguns barramentos servem apenas para interligar sensores e atuadores discretos, basicamente transmitindo estados e bits de comando, necessitando de processamento mínimo por parte do instrumento. São as redes de nível mais baixo, denominadas de Sensorbus. Um segundo nível é representado pelas redes capazes de interligar dispositivos mais inteligentes, enquadradas na denominação genérica de Devicebus. As mensagens aqui já são orientadas a bytes. Finalmente restam as redes de instrumentos de campo, ou Fieldbus, especializadas em variáveis de controle. Suportam uma maior transmissão de dados, e necessitam de maior poder de processamento por parte dos dispositivos. Uma ilustração dessa classificação é apresentada na Figura 3. Figura 3 - Classificação das redes de campo industriais Os protocolos fieldbus são modelados de acordo com o modelo OSI/ISO. Entretanto, apenas as camadas 1, 2 e 7 são usadas. Assim, o padrão IEC descreve uma estrutura em três camadas, formada pelas camadas física, de enlace e de aplicação. As funções das camadas 3 e 4
12 podem ser alocadas nas camadas 2 ou 7, já as funções das camadas 5 e 6 são cobertas pela camada de aplicação. As redes de campo são tipicamente redes de um único segmento, e as extensões são feitas através de repetidores, ou no máximo bridges (pontes). A coleção de módulos de especificações de redes de campo do padrão IEC era útil para qualquer implementação prática. O que faltava era um manual de utilização, mostrando que partes podem ser reunidas em um sistema funcional e como isto pode ser efetuado. Este guia veio com o IEC como uma definição dos então chamados perfis de comunicação. Os perfis podem ser vistos como uma camada adicional no topo do modelo OSI, sendo conhecida como camada de usuário. Vantagens das redes de automação em relação a sistemas convencionais de cabeamento: Expansão da rede com o sistema em funcionamento; Redução de materiais (cabos, painéis, caixas de junção, etc.); Interoperabilidade entre equipamentos de fabricantes distintos; Atualização de firmware a partir da sala de controle; Capacidade de auto-reconhecimento do instrumento; Facilidade na manutenção; Flexibilidade na configuração da rede; Possibilidade de diagnósticos dos dispositivos. Por usarem protocolos de comunicação padronizados possibilitam a integração de equipamentos de vários fabricantes distintos, tais sistemas dizem-se abertos, são flexíveis e têm capacidade de expansão. São vários os padrões de redes industriais de comunicação empregados na indústria. Recentemente as redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus apresentaram um grande crescimento no número de instalações na indústria de processos, como o setor petroquímico, sendo líderes dos investimentos no ramo dos sistemas fieldbus [40]. A Tabela 2 contém os dados de um estudo realizado pela ARC Advisory Group, contendo os valores obtidos em 2006 e uma estimativa para o ano de Tabela 2 - Investimentos em fieldbus nas indústrias de processo, em milhões de dólares. Rendimentos em 2006 Rendimento em 2011 TCAC* FOUNDATION Fieldbus 566,6 (68,1%) 1.714,2 (75,2%) 24,8% PROFIBUS 263,8 (31,7%) 564,1 (24,7%) 16,4% Outros 1,3 (0,2%) 1,5 (0,1%) 3,6% TOTAL 831,7 (100%) 2.279,8 (100%) 22,3% * Taxa de crescimento anual composta Fonte: ARC Advisory Group,
13 13 O aumento no número de usuários e a previsão de crescimento para os próximos anos, foram os principais pontos na escolha das redes PROFIBUS e FOUNDATION Fieldbus como objetos dos estudos deste trabalho. As seções a seguir expõem as características dessas duas redes industriais de comunicação PROFIBUS O PROFIBUS é baseado no modelo OSI/ISO, conforme apresentado na Figura 4. A camada 1 (nível físico) define as características físicas de transmissão, a camada 2 (enlace de dados) define o protocolo de acesso ao meio e a camada 7 (aplicação) define as funções de aplicação. Além destas camadas há também a presença da camada de usuário. Figura 4 - As camadas do PROFIBUS A aplicação de um sistema de comunicação industrial é amplamente influenciada pela escolha do meio de transmissão. Requisitos de uso genérico, como alta confiabilidade, grandes distâncias cobertas e alta velocidade de transmissão, somam-se as exigências específicas da área de automação de processos tais como operação em áreas classificadas, transmissão de dados e alimentação no mesmo meio físico, etc. Existem atualmente três tipos físicos disponíveis no PROFIBUS [12]: RS485: para uso universal; IEC : para aplicações em sistemas de automação de controle de processos; Fibra ótica: para aplicações em sistemas que demandam grande imunidade às interferências eletromagnéticas e grandes distâncias. O padrão RS485 é a tecnologia de transmissão mais encontrada no PROFIBUS. É simples, de baixo custo, primordialmente usada para tarefas que requerem altas taxas de transmissão [12].
14 14 Um cabo de cobre blindado com um par de condutores em par trançado (STP shield twisted pair) é usado. A estrutura do barramento permite a adição ou remoção de estações sem interferir nas demais. Possíveis expansões não têm efeito sobre as estações em operação. É possível selecionar taxas de transmissão desde 9,6 kbps até 12 Mbps, porém uma única taxa é selecionada para todos os dispositivos no barramento quando o sistema é inicializado. Até 32 estações podem ser conectadas em um único segmento. Para conectar mais do que 32 estações, ou no caso que a distância total entre as estações ultrapasse um determinado limite, devem ser utilizados repetidores para interconectar diferentes segmentos do barramento. O comprimento máximo da linha depende da taxa de transmissão. O barramento é encerrado por um terminador ativo do barramento, no início e no fim de cada segmento. A transmissão síncrona em conformidade com a norma IEC veio atender aos requisitos das indústrias químicas e petroquímicas. Permite, além de segurança intrínseca, que os dispositivos de campo sejam energizados pelo próprio barramento. Os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente. Uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos os fins da linha principal do barramento. Topologia linear, árvore e estrela são permitidas [12]. É uma transmissão síncrona, na codificação Manchester, com taxa de transmissão de 31,25 kbps usando tecnologia a dois fios. É usualmente limitada a um determinado segmento da planta, por exemplo, dispositivos de campo em áreas perigosas. Da mesma forma que no padrão RS485, também são possíveis até 32 estações por segmento [7]. Fibras óticas são usadas para aplicações fieldbus que tenham alta interferência eletromagnética, ou que cubram uma grande área ou distância. O PROFIBUS inclui fibras multimodo e monomodo de vidro, fibras de plástico, entre outras [7]. Na sala de controle estão localizados o sistema de controle de processo e os dispositivos de monitoração e operação, interconectados por RS485. No campo, dispositivos do tipo Coupler ou Link adaptam os sinais do segmento RS485 aos sinais do segmento IEC Do ponto de vista do protocolo, os dispositivos Couplers são transparentes. Se estes são usados, a velocidade do segmento RS485 ficará limitada em no máximo 45,45 kbps ou 93,75 kbps. Os Links, por sua vez, possuem sua própria inteligência intrínseca. Eles tornam todos os dispositivos conectados ao segmento IEC um único dispositivo escravo no segmento RS485. Neste caso não há limitação de velocidade no segmento RS485, além do aumento na capacidade de endereçamento. Ambos os tipos de dispositivo possuem o terminador de barramento integrado. Perfis são usados em automação para definir comportamentos e propriedades específicas de dispositivos, família de dispositivos ou sistemas inteiros. O termo perfil engloba desde poucas especificações de uma classe de dispositivos, até especificações abrangentes de aplicações em uma determinada indústria [7]. O perfil de aplicação define as opções de protocolo e da tecnologia de transmissão requerida
15 15 nas respectivas áreas de aplicação e para os vários tipos de dispositivos. Estes perfis também definem o comportamento do dispositivo. Os perfis de comunicação PROFIBUS usam um protocolo uniforme de acesso ao meio, implementado pela camada de enlace de dados do modelo OSI/ISO. No PROFIBUS, a camada 2 é chamada Fieldbus Data Link (FDL). O controle de acesso ao meio (MAC) especifica o procedimento quando uma estação tem a permissão para transmitir, além de assegurar que uma única estação tem direito de transmitir neste momento. A detecção de defeitos no meio de transmissão ou no receptor, assim como detecção de erros de endereçamento ou na passagem do token são funções do MAC no PROFIBUS. No nível de campo, a periferia distribuída, dispositivos tais como módulos de E/S, transdutores, acionamentos, válvulas e painéis de operação, se comunicam com sistemas de automação via um eficiente sistema de comunicação em tempo real, o PROFIBUS-DP ou PROFIBUS-PA. A transmissão de dados é efetuada ciclicamente, enquanto alarmes, parâmetros e diagnósticos são transmitidos aciclicamente, só quando necessário [7]. O PROFIBUS diferencia seus dispositivos entre mestres e escravos. Os mestres determinam a comunicação de dados no barramento. O protocolo PROFIBUS de acesso ao barramento inclui o procedimento de passagem de token, usado pelos mestres para comunicar-se uns com os outros, e o procedimento mestre-escravo, usado pelos mestres para se comunicarem com seus escravos. O token é passado de um mestre ao próximo em ordem crescente de endereços. No momento que uma estação ativa recebe o token, passa a executar seu papel de mestre durante um período determinado, podendo se comunicar com todas as estações escravas num relacionamento mestre-escravo, e com todas as estações mestre num relacionamento mestre-mestre de comunicação. Esse modo de comunicação é ilustrado na Figura 5. Figura 5 - Mecanismo de comunicação no PROFIBUS
16 16 A camada FDL opera no modo sem conexão. Além de transmissão ponto a ponto, proporciona também comunicações do tipo multiponto (broadcast e multicast). Cada perfil de comunicação PROFIBUS usa um subconjunto específico dos serviços da camada FDL. Os serviços são acionados por camadas superiores via pontos de acesso de serviço (SAPs service acess points) [12]. Dispositivos PROFIBUS possuem diferentes características de funcionalidade ou de parametrização da comunicação. Estes parâmetros variam para cada tipo de dispositivo e de fabricante. A fim de tornar o PROFIBUS um sistema facilmente configurável, tipo plug and play, definiu-se um arquivo de dados eletrônico do dispositivo (arquivo GSD), onde estas informações são armazenadas. Os arquivos GSD ampliam a característica de rede aberta, podendo ser carregado durante a configuração, tornando a integração de dispositivos de diversos fabricantes em um sistema PROFIBUS simples e amigável. Os arquivos GSD fornecem uma descrição clara e precisa das características de um dispositivo em um formato padronizado. O arquivo GSD é dividido em três seções: Especificações gerais: informações sobre fabricante, nome do dispositivo, revisão de hardware e software, taxas de transmissão suportadas e possibilidade para a definição do intervalo de tempo para monitoração; Especificações relacionadas ao mestre: parâmetros relacionados ao mestre, tais como número máximo de escravos ou opções de upload e download. Exclusivo para dispositivos mestres; Especificações relacionadas ao escravo: especificações tais como número e tipo de canais de I/O, especificação de informações de diagnósticos, etc. Uma distinção é feita entre parâmetros obrigatórios e parâmetros opcionais. O formato dos arquivos GSD contém listas (tal como velocidade de comunicação suportada), assim como espaços para descrever os tipos de módulos disponíveis em um dispositivo modular [12] PROFIBUS DP No PROFIBUS-DP, os controladores centrais se comunicam com seus dispositivos de campo distribuídos via um link serial de alta velocidade [12]. A maior parte desta comunicação é feita de uma maneira cíclica. Funções de comunicação não cíclicas estão disponíveis para dispositivos de campo inteligentes, permitindo assim configuração, diagnóstico e manipulação de alarmes. O PROFIBUS-DP usa as camadas 1 e 2, bem como a interface de usuário. As camadas 3 a 7 não são usadas. A principal tecnologia usada pelo PROFIBUS-DP na camada física é o padrão RS485, sendo possível utilizar fibras óticas, caso haja necessidade.
17 17 O PROFIBUS-DP difere três grupos de dispositivos no barramento. O DPM1 (DP master class 1) é um controlador central que ciclicamente troca informações com as estações (escravos) em um ciclo de mensagem específico. Dispositivos típicos são CLPs e PCs. DPM2 (DP master class 2) consiste em terminais de engenharia, programadores, dispositivos de configuração ou painéis de operação. Usados durante o comissionamento para configuração do sistema DP e também para a manutenção e diagnóstico do barramento e/ou de seus dispositivos. Não precisam estar conectados permanentemente ao barramento. Os escravos DP (DP slaves) são periféricos (acionamentos, válvulas, atuadores, sensores, etc.). São dispositivos passivos: só respondem a requisições diretas. PROFIBUS-DP suporta a implementação de sistemas monomestre e multimestre. Um máximo de 126 dispositivos (mestres ou escravos) pode ser conectado ao barramento da rede. São reservados oito bits para o campo de endereço, porém apenas sete são efetivamente usados para endereços: o bit mais significativo do byte indica a utilização dos campos de ponto de acesso de serviço. Em sistemas monomestre, apenas um mestre está ativo no barramento. Em sistemas multimestre diversos mestres compartilham o mesmo barramento. Eles representam subsistemas independentes, englobando mestre e seus respectivos escravos. A coordenação dos mestres é feita por passagem de token, apenas o mestre que detém o token pode comunicar. A imagem de entrada e saída dos escravos DP pode ser lida por todos os mestres DP. Entretanto, somente um único mestre poderá escrever em uma saída. Naturalmente, sistemas multimestre possuem um tempo de ciclo mais longo que sistemas monomestre [12]. Durante a configuração do sistema, o usuário especifica a associação de um escravo DP ao DPM1 e quais escravos DP serão incluídos ou excluídos da transmissão cíclica de dados do usuário. A transmissão de dados entre o DPM1 e os escravos DP é dividida em três fases: parametrização, configuração e transferência de dados. Durante as fases de parametrização e configuração de um escravo DP, sua configuração real é comparada com a configuração projetada no DPM1, somente se corresponderem é que o escravo DP passará para a fase de transmissão de dados. Assim, todos os parâmetros de configuração, tais como tipo de dispositivo, formato e comprimento de dados, número de entradas e saídas, etc. devem corresponder à configuração real. Uma nova parametrização pode ser enviada ao escravo DP sempre que necessário [12]. O PROFIBUS-DP foi projetado para troca rápida de dados em nível de campo. Está disponível em três versões: DP-V0, DP-V1 e DP-V2, cada uma com características próprias. A versão DP-V0 provê funcionalidades básicas do DP, incluindo troca cíclica de dados bem como diagnóstico de estações, de módulos, e específicas de um canal. O mestre lê ciclicamente a informação dos escravos e escreve também ciclicamente a informação nos escravos. Comunicação cíclica entre o DPM1 e seus escravos é feita em uma seqüência recorrente e definida. O usuário define os escravos de cada DPM1 na configuração do sistema. Além dessa comunicação personalizada (direcionada a um escravo) o mestre pode enviar comandos de controle a todos os
18 18 escravos, ou a um grupo, simultaneamente. Esses comandos são transmitidos como mensagens broadcast ou multicast. A versão DP-V1 contém melhorias montadas para a automação de processos, em particular comunicação acíclica de dados, ponto chave dessa versão [7], para indicação de parâmetros e calibração dos dispositivos de campo ao longo do barramento durante a operação; visualização, operação e manipulação de alarmes de dispositivos inteligentes. A transmissão acíclica é feita em paralelo à transmissão cíclica de dados de usuário, mas com baixa prioridade. A versão DP-V2 contém ainda mais melhorias e é montada primordialmente para as demandas da tecnologia de acionamentos. A comunicação escravo-escravo permite comunicação direta entre escravos, usando broadcast. Os dados não passam pelo mestre, vão diretamente a outros escravos, permitindo que escravos leiam dados de outros escravos e usem esses dados como entradas. Isto abre a possibilidade de novas aplicações, e reduz o tempo de resposta no barramento em até 90% [7]. A quantidade de informação de I/O depende do tipo de dispositivo. Um máximo de 246 bytes de entrada e 246 bytes de saída é permitido. O PROFIBUS-DP requer aproximadamente 1 ms, à 12 Mbps, para a transmissão de 512 bits de dados de entrada e 512 bits de dados de saída distribuídos em 32 estações [12]. A estrutura dos quadros da camada de enlace e da camada física é mostrada na Figura 6. Figura 6 - Estrutura de quadros nas camada de física e de enlace do PROFIBUS Uma proteção contra erros do equipamento de transmissão é conseguida no PROFIBUS DP com um mecanismo de monitoração de tempo, implementado tanto no mestre quanto nos escravos. O DPM1 monitora a transmissão de dados dos escravos com o Data_Control_Timer, um temporizador de controle independente para cada escravo. O temporizador expira se uma correta
19 19 transmissão de dados não ocorrer dentro do intervalo de monitoração. O escravo usa o controle watchdog para detectar falha no mestre ou na linha de transmissão. Se nenhuma comunicação com o mestre ocorre dentro do intervalo do watchdog, o escravo automaticamente muda suas saídas para o estado de segurança (fail-safe) [12] PROFIBUS PA O uso do PROFIBUS em dispositivos e aplicações típicas de automação e controle de processos é definido pelo perfil PA. A camada física utiliza o padrão IEC O perfil dos dispositivos PA define todas as funções e parâmetros para diferentes classes de dispositivos para automação de processos com inteligência local. O perfil é documentado em uma descrição de modelo geral contendo as especificações atualmente válidas para todos os tipos de dispositivos, e em um data sheet de dispositivo com especificações adicionais para classes de dispositivos individuais [7]. O perfil de aplicação PA é baseado no perfil de comunicação DP, especificamente na versão DP-V1. Os valores e o estado dos dispositivos de campo PA são transmitidos ciclicamente com alta prioridade entre um DPM1 e os escravos usando as rápidas funções básicas do DP. Por outro lado, os parâmetros do dispositivo para visualização, operação, manutenção e diagnóstico são transmitidos pelos terminais de engenharia (DPM2) com as funções DP acíclicas de baixa prioridade. A especificação para dispositivos PA usa o modelo de blocos de função para representar seqüências funcionais [7, 12]. Uma aplicação é composta de vários blocos de função. Os blocos são integrados nos dispositivos de campo e podem ser acessados via comunicação, assim como pelo terminal de engenharia. São usados três tipos de blocos: Bloco físico: contém os dados característicos do dispositivo, como nome, fabricante, versão, número de série, etc. Só pode haver um bloco físico em cada dispositivo; Bloco transdutor: contém os dados necessários ao processamento dos sinais entregues pelo sensor. Se nenhum processamento é requerido, esse bloco pode ser omitido. O número de blocos é correspondente ao número de sensores presentes no dispositivo; Bloco de função: contém todos os dados para o processamento final do valor medido antes da transmissão ao sistema de controle. O acoplamento entre segmentos DP e PA é realizado por dispositivos Couplers ou Links, como descrito na seção Os Links DP/PA possuem a vantagem de aumentarem a capacidade de endereçamento da rede e não limitarem a velocidade no segmento DP, conforme está ilustrado na Figura 7.
20 20 Figura 7 - Comparativo entre o uso de Couplers e Links no acoplamento de segmentos PROFIBUS DP e PA PROFIBUS FMS O perfil de comunicação FMS foi projetado para a comunicação no nível de células. Neste nível, controladores (CLPs e PCs) comunicam-se uns com outros. No PROFIBUS-FMS as camadas 1, 2 e 7 são essenciais. A camada de aplicação é composta do FMS (fieldbus message specification) e do LLI (lower link interface). O FMS define uma ampla seleção de serviços de comunicação mestre-mestre ou mestre-escravo. O LLI define a representação destes serviços FMS no protocolo de transmissão de dados. A parte da aplicação situada no dispositivo de campo que pode ser acessada via comunicação é denominada de dispositivo virtual de campo (VFD virtual field device). Todos os objetos de comunicação de um dispositivo FMS são registrados em um dicionário de objetos. O dicionário contém a descrição, estrutura e tipo de dados, assim como a associação entre os endereços internos e sua denominação no barramento. Os objetos podem ter um endereçamento lógico ou serem endereçados pelo nome. Também podem ser protegidos do acesso não autorizado, ou os serviços de acesso é que podem ser restringidos (ex.: só leitura) [12]. Serviços PROFIBUS-FMS disponíveis: gerenciamento de contexto (estabelecer ou encerrar conexões lógicas); acesso a variáveis; gerenciamento do domínio (transmitir grande quantidade de memória); gerenciamento de chamada de programas; gerenciamento de eventos (transmitir mensagens de alarmes); suporte VFD (identificação e status); gerenciamento de dicionário de objetos (leitura e escrita no dicionário). O mapeamento das camadas 2 a 7 é gerenciado pelo LLI, que executa controle de fluxo e monitoração da conexão. O LLI provê vários tipos de associação de comunicação para a execução
21 21 do FMS e serviços de gerenciamento. As associações de comunicação orientada à conexão representam uma conexão lógica ponto a ponto entre dois processos de aplicação. As associações de comunicação sem conexão possibilitam a um dispositivo se comunicar simultaneamente com diversas estações usando serviços não-confirmados [12] PROFINET PROFINET fornece uma comunicação baseada na Ethernet capaz de combinar os benefícios da comunicação corporativa (TCP/IP, HTTP, SMTP, etc.) com os requisitos da comunicação industrial. Provê acesso direto do nível corporativo para o nível de automação, e viceversa. PROFINET pode atuar como um backbone para interligar sub-redes PROFIBUS DP e PA. A integração de segmentos PROFIBUS no PROFINET é realizada usando-se gateways. O conceito de proxy também é usado na tarefa de conversão entre os dois sistemas de comunicação, sendo parte da integração. Isto resulta na utilização da tecnologia de transmissão PROFIBUS, especificamente desenvolvida para automação, sem precisar sacrificar os benefícios da tecnologia PROFINET. Figura 8 - Exemplo do uso de PROFINET numa planta industrial 2.2. FOUNDATION Fieldbus Deve-se tomar cuidado para não confundir o nome da rede FOUNDATION Fieldbus com o da fundação que a criou e a mantém, esta sim denominada Fieldbus Foundation. Os princípios básicos definidos no surgimento do FOUNDATION Fieldbus incluem duas pedras fundamentais: a adoção dos dois principais mecanismos de acesso ao meio, e a ênfase em uma descrição padronizada dos dispositivos [8].
22 22 Circulação de token e acesso agendado eram bons, mas insuficientes; sendo complementares. A Fieldbus Foundation adotou uma abordagem para dispor tanto da filosofia programada do FIP, quanto da filosofia de rotação de token do PROFIBUS. A ênfase em uma descrição padronizada permitiu evitar a situação na qual, após definir a pilha de comunicação, muito ainda precisaria ser feito para tornar os dispositivos operacionais após conectá-los ao barramento. FOUNDATION Fieldbus tinha esse conceito em mente desde o começo e incluiu a definição das semânticas dos dados mais suas configurações, e usou dentro do primeiro conjunto de especificações [8]. As especificações FOUNDATION Fieldbus incluem duas diferentes configurações: H1 e HSE. A configuração H1 interconecta equipamentos de campo como sensores, atuadores e I/Os, e funciona a 31,25 kbps. HSE provê integração dos controladores (como sistemas de controle distribuídos e CLPs), dos subsistemas H1, dos servidores de dados e estações de trabalho, e funciona à 100 Mbps. Um exemplo de uso do FOUNDATION Fieldbus em uma planta industrial é apresentado na Figura 9. Figura 9 - Rede FOUNDATION Fieldbus em plantas industriais Tanto o H1 quanto o HSE possuem uma camada de aplicação de usuário, que é baseada em blocos representando os diferentes tipos de aplicações. Os tipos de blocos são: recursos, transdutor e funções. O bloco de recursos descreve características do dispositivo de campo, tais como nome, fabricante e número de série. Há apenas um bloco de recurso por dispositivo. Os blocos de transdutor são usados para configurar os dispositivos de campo. Eles desacoplam os blocos de funções das funcionalidades de entrada/saída locais exigidas na leitura de sensores ou comando de atuadores [8]. Eles contêm informação como dados de calibração e tipo de sensor. Normalmente há um transdutor para cada entrada e saída do bloco [16]. Os blocos de função provêm o controle e comportamento do sistema. São funções de automação padronizadas. Os parâmetros de entrada e saída dos blocos de função podem ser ligados
23 23 diretamente no barramento. A execução de cada bloco de função é precisamente agendada. Pode haver muitos blocos de função em uma única aplicação de usuário [16]. A Fieldbus Foundation definiu um conjunto de blocos de função padrão que podem ser combinados e parametrizados para criar um dispositivo. Os blocos de função podem ser construídos em dispositivos para alcançar a funcionalidade desejada. A solução é o uso de uma linguagem descritiva de dispositivos, a DDL (device description language). Ela é capaz de descrever formalmente o dispositivo e pode ser interpretada pela biblioteca de serviços de descrição de dispositivos disponível no FOUNDATION Fieldbus. Tal descrição age como um driver para cada dispositivo. Dentro de cada descrição, e para cada bloco de função no dispositivo, uma hierarquia é seguida: (1) parâmetros universais do dispositivo; (2) parâmetros comuns a cada bloco e função; (3) parâmetros comuns aos blocos transdutores; e (4) parâmetros específicos do fabricante. As descrições também podem incluir pequenos programas para interação com o dispositivo (por exemplo, para calibração), assim como capacidade de carregar atualizações [8] FOUNDATION Fieldbus H1 No sistema de comunicação FOUNDATION Fieldbus H1, suas funcionalidades são suportadas por serviços agrupados em níveis, assim como outras arquiteturas baseadas no modelo OSI/ISO. Abaixo da camada de aplicação, há a camada de enlace de dados, que lida com o acesso ao canal de comunicação. A camada física lida com a interface com o meio físico. A camada física do H1 foi concebida para receber as mensagens da pilha de comunicação e convertê-las em sinais físicos no meio de transmissão fieldbus, e vice-versa. As tarefas de conversão incluem a adição e remoção de preâmbulos e delimitadores de início e fim [8]. O preâmbulo é usado pelo receptor para sincronizar seu clock interno com o sinal vindo do barramento. Os delimitadores são usados para identificar o início e fim dos dados. O objetivo era substituir os dispositivos 4-20 ma existentes, na tentativa de reduzir custos. Essa mudança seria mais fácil se o cabeamento existente, que suportava apenas a versão H1 de baixa velocidade, fosse mantido [8]. Sinais (± 10 ma com 50 Ω de carga) são codificados usando a técnica Manchester síncrona, e podem ser conduzidos em cabos de par trançado. O sinal é chamado serial síncrono porque a informação de clock está embutida na seqüência de dados serial. O receptor interpreta uma transição positiva no meio do período de bit como um 0 lógico e uma transição negativa como um 1 lógico. Um exemplo da transmissão de uma seqüência de bits usando essa codificação pode ser visto na Figura 10. O transmissor entrega ± 10 ma à 31,25 kbps com uma impedância de 50 Ω para criar uma tensão de 1 V pico a pico modulada na tensão de alimentação DC, que pode ser de 9 a 32 volts.
24 24 Figura 10 - Codificação Manchester A fiação H1 é baseada em cabos-troncos com terminadores em cada ponta. Cada cabo é encerrado com um terminador de 100 Ω de impedância. Isto faz do cabo de instrumentação uma linha de transmissão balanceada em que um sinal de freqüência relativamente alta pode ser transmitido com um mínimo de distorção [18]. Permite derivações localizadas em qualquer ponto ao longo do tronco e conectadas por meio de caixas de junção. Um único dispositivo pode ser conectado em cada derivação. Outros troncos podem ser encadeados através de repetidores. Até cinco troncos podem ser interconectados. O comprimento de uma derivação varia de 1 a 120 m, dependendo do número de dispositivos conectados ao enlace fieldbus. O número máximo de dispositivos em um tronco H1 é 32, porém o número real depende de fatores como consumo de potência, tipo de cabo, repetidores, etc. O comprimento total do tronco, incluindo as derivações pode ser até 1900 m, e 240 é o número de endereços de rede disponíveis [7]. A camada de enlace do FOUNDATION Fieldbus H1 controla a transmissão de mensagens no barramento. Um agendamento completo capaz de garantir os dados necessários em tempo hábil, mas também permitindo lacunas, nas quais um mecanismo de token assume obedecendo a um tempo máximo de rotação definido. Para tanto é preciso um mediador que impõe a transmissão de dados por uma determinada entidade em tempos definidos quando requerido, mas também garante uma quantidade definida de tempo livre para cada entidade. Este mediador é o LAS (link active scheduler). Essencialmente o LAS executa: Acesso ao meio físico com base numa programação; Circulação de token apenas quando nenhum tráfego agendado é necessário. O token é passado por um período de tempo limitado que é sempre menor que o intervalo restante para o próximo tráfego agendado;