Fieldbus Foundation - Parte 1

1.      INTRODUÇÃO

Fieldbus FOUNDATION™ (FF) é uma arquitetura aberta para integrar informação, cujo objetivo principal é interconectar equipamentos de controle e automação industrial, distribuindo as funções de controle pela rede e fornecendo informação a todas as camadas do sistema.

A tecnologia FF substitui com vantagens a tradicional tecnologia 4-20mA + HART, possibilitando a comunicação bidirecional entre os equipamentos de forma mais eficiente.  Esta tecnologia vai muito além de um protocolo de comunicação digital ou uma rede local para instrumentos de campo. Ela engloba diversas tecnologias, tais como processamento distribuído, diagnóstico avançado e redundância. Um sistema FF é heterogêneo e distribuído, composto por equipamentos de campo, softwares de configuração e supervisão, interfaces de comunicação, fontes de alimentação e pela própria rede física que os interconecta.  

Uma das funções dos equipamentos de campo é executar a aplicação de controle e supervisão do usuário que foi distribuída pela rede. Essa é a grande diferença entre FF e outras tecnologias, que dependem de um controlador central para executar os algoritmos. 

Comparado a outros sistemas, FF permite o acesso a muitas variáveis, não só relativas ao processo, mas também do diagnóstico dos sensores e atuadores, dos componentes eletrônicos, degradação de performance, entre  outras. Além disso, há outras características marcantes:

• Segurança intrínseca para uso em áreas perigosas, com alimentação e comunicação pelo mesmo par de fios;
• Topologia em barramento ou em árvore, com suporte a múltiplos mestres no barramento de comunicação;
• Distribuição das funções de controle entre os equipamentos (controle distribuído);
• Interfaces padronizadas entre os equipamentos, o que facilita a interoperabilidade;
• Modelamento de aplicações usando linguagem de blocos funcionais.
• Gerenciamento de ativos.
• Entre outros.

2.      NÍVEIS DE REDE

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

Redes industriais são padronizadas sobre 3 níveis de hierarquias cada qual responsável pela conexão de diferentes tipos de equipamentos com suas próprias características conforme pode ser visto na figura 2-1.

Figura 2-1 – Níveis de hierarquia de redes industriais

O nível mais alto, nível de informação da rede, é destinado a um computador central que processa o escalonamento da produção da planta e permite operações de monitoramento estatístico da planta, sendo implementado, geralmente, por softwares gerenciais auxiliando os gestores nas tomadas de decisões. O padrão Ethernet operando com o protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível.

O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta incorporando PLCs, SDCDs e PCs. A informação deve trafegar neste nível em tempo real para garantir a atualização dos dados nos softwares que realizam a supervisão da aplicação.

O nível mais baixo, nível de controle discreto, se refere geralmente às ligações físicas da rede ou o nível de I/O. Este nível de rede conecta os equipamentos de baixo nível entre as partes físicas e de controle. Neste nível encontram-se os sensores discretos, contatores e blocos de I/O.

As redes de equipamentos são classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas e o tipo de dados que trafega pela rede. Os dados podem ser bits, bytes ou blocos. As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo simples condições ON/OFF. As redes com dados no formato de byte podem conter pacotes de informações discretas e/ou analógicas e as redes com dados em formato de bloco são capazes de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis. Assim, classificam-se as redes quanto ao tipo de rede de equipamento e os dados que ela transporta como:

• Rede Sensorbus - dados no formato de bits
• Rede Devicebus - dados no formato de bytes
• Rede Fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

A figura 2-2 ilustra a classificação das redes de equipamentos.

Figura 2-2 – Classificação das redes de equipamentos

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sua principal preocupação é manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop.

A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e Fieldbus, podendo cobrir distâncias de até 500m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparada aos dados no formato de bytes. Esta rede tem os mesmos requisitos de transferência rápida de dados da rede de sensorbus, mas consegue gerenciar mais equipamentos e dados. Alguns exemplos de redes deste tipo são DeviceNet, Smart Distributed System (SDS), ProfibusDP, LONWorks e INTERBUS-S.

A rede Fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos, mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplos de redes Fieldbus incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART.

Fieldbus é um sistema de comunicação digital bidirecional que permite a interligação em rede de múltiplos instrumentos diretamente no campo realizando funções de controle e monitoração de processo e estações de operação (IHM) através de softwares supervisórios conforme pode ser visto na figura 2-3.

Figura 2-3 – Comunicação bidirecional da rede Fieldbus

Nosso estudo será baseado no protocolo Fieldbus elaborado pela Fieldbus FOUNDATION™ (FF) e normatizado pela ISA – The International Society for Measurement and Control para automação de Plantas de Processos. 

Bom meus amigos, por enquanto é só, aguardem a próxima postagem com a continuação desse tema e comentem e compartilhem com seus amigos. Segue abaixo as referências desse assunto:

1. www.fieldbus.org – Site da Fieldbus Foundation
2. www.smar.com.br – Fabricante de Equipamentos Fieldbus
3. www.sense.com.br – Fabricante de Caixas de Junção
4. www.poliron.com.br – Fabricante de Cabos
5. Norma ANSI/ISA – S50.02
6. Borges, Johny de Freitas, Redes Industriais de Comunicação, 2008.