Fieldbus Foundation - Parte 5

3.4  LIMITAÇÕES E CONSIDERAÇÕES PARA PROJETO

Como todo projeto, necessitamos seguir algumas regras e conhecer as limitações da tecnologia afim realizar todas as análises necessárias antes da implementação.

3.4.1        Comprimento do Cabeamento x Número de Instrumentos

Um importante aspecto na concepção de um projeto Fieldbus é a determinação de como serão instalados os equipamentos que farão parte da rede. Dessa forma devem ser consideradas as distâncias máximas permitidas entre os equipamentos, ou seja, deve-se ter em mãos a planta onde será efetuado o projeto para a determinação dos melhores pontos para instalação dos equipamentos de forma a otimizar ao máximo o comprimento do barramento (chamado de trunk) e das derivações (chamadas de spurs) como visto na Figura 3-21.

Figura 3-21 – Configuração típica de instalação

Segue abaixo as regras básicas projeto de uma rede FF:

• A rede é formada por uma linha troco com spurs. A linha tronco deve ser terminada por um terminador passivo.
• O comprimento máximo da linha tronco e a soma de todos os spurs é de 1900m, sem utilização de repetidores.
• O número de instrumentos na rede pode ser: 2 a 32 instrumentos numa conexão não intrinsecamente segura com fonte de alimentação separada do sinal de alimentação. 1 a 12 instrumentos quando a aplicação não requer SI e os instrumentos são alimentados pelo cabo de sinal. 2 a 6 instrumentos para aplicações de SI quando os instrumentos recebem a sua alimentação diretamente do cabo de comunicação.
• Cada segmento Fieldbus deverá ter no máximo 4 loops de controle.
• Repetidores podem ser utilizados para regenerar o sinal após excedida a especificação de distância máxima. O número máximo de repetidores é quatro. A distância máxima entre dois instrumentos quaisquer não deve exceder 9500m conforme já descrito anteriormente.
• O cabo Fieldbus é polarizado. Inverter a polarização pode causar danos a todos os instrumentos conectados à rede. Alguns fornecedores garantem instrumentos livres de polarização.
• O comprimento dos spurs devem ser calculados obedecendo aos dados da tabela II abaixo além da limitação da fonte de alimentação.

 

Total de Disp. por Rede	1 disp. por spur (m)	2 disp. por spur (m)	3 disp. por spur (m)	4 disp. por spur (m)
1-12	120	90	60	30
13-14	90	60	30	1
15-18	60	30	1	1
19-24	30	1	1	1
25-32	1	1	1	1
Obs: Trunk + Spur < 1900m

Tabela II – Comprimento máximo dos spurs

3.4.2        Fonte de Alimentação

Como já descrito anteriormente, uma vez que a potência disponível da fonte de alimentação é limitada, é necessário calcular a potência consumida pelos instrumentos interligados a rede. Além de todas as considerações já mencionadas, ao dimensionar uma rede Fieldbus deverão ser calculadas as tensões em cada ponto da rede, sendo necessário calcular principalmente os dispositivos da extremidade da rede ou os dispositivos de maior consumo. A tensão em cada dispositivo deverá ser no mínimo maior que a tensão mínima necessária para o funcionamento deste dispositivo.

De acordo com a norma da Fieldbus Foundation, o barramento deverá funcionar com tensão de alimentação de no mínimo 9 V. Porém, nem todos os fabricantes obedecem esta norma. Portanto, para cada caso deverá ser verificado o valor de tensão mínimo indicado pelo fabricante. Para efeito de cálculo e estimativas, poderá ser considerado que cada dispositivo da rede consome uma corrente de 20 mA. Porém, para se fazer o cálculo mais preciso deverá ser observado no catálogo do fabricante de cada dispositivo a corrente que o mesmo consome na rede Fieldbus. A figura 3-22 mostra uma rede que será dimensionada para estudo.

Figura 3-22 – Rede a ser analisada

Para realizar o cálculo de tensão em cada dispositivo, deverão ser levados em consideração os seguintes parâmetros:

• Tensão de saída do condicionador de sinal: 19 VDC (sem segurança intrínseca);
• Resistência do cabo: 22 Ω/Km, portanto 44 Ω/Km para o loop (cabo próprio para FF);
• Corrente de consumo do dispositivo: Verificar catálogo do fabricante. Se não for informado, considerar 20mA.
• Tensão mínima de funcionamento: Verificar catálogo do fabricante. Se não for informado, considerar 11 V.

Tensão na caixa de junção

A corrente no cabo trunk será a soma de todas as correntes consumidas pelos dispositivos. Portanto, a corrente total será de 18 + 12 + 25 + 13 = 68 mA.

A resistência do cabo trunk será de 0,230 Km x 44 Ω/Km = 10,12 Ω

A tensão na saída do condicionador de sinal é de 19 V. Portanto, a tensão na caixa de junção (final do cabo trunk) será de: 19 V – 0,068 A x 10,12 Ω = 19 V – 0,69 V = 18,31 V

Tensão no Posicionador de Válvula

A resistência do cabo do posicionador é de 0,03 Km x 44 Ω/Km = 1,32 Ω

A tensão neste dispositivo será: 18,31 V – 0,018 A x 1,32 Ω = 18,31 V – 0,02 V = 18,29 V

Tensão no Transmissor de Vazão

A resistência do cabo do medidor de vazão eletromagnético é de 0,02 Km x 44 Ω/Km = 0,88 Ω

A tensão neste dispositivo será: 18,31 V – 0,012 A x 0,88 Ω = 18,31 V – 0,01 V = 18,30 V

Tensão no Transmissor de Temperatura

A resistência do cabo do transmissor de temperatura é de 0,025 Km x 44 Ω/Km = 1,1 Ω

A tensão neste dispositivo será: 18,31 V – 0,012 A x 1,1 Ω = 18,31 V – 0,01 V = 18,30 V

Tensão no Transmissor de Nível

A resistência do cabo do transmissor de nível é de 0,035 Km x 44 Ω/Km = 1,54 Ω

A tensão neste dispositivo será: 18,31 V – 0,013 A x 1,54 Ω = 18,31 V – 0,02 V = 18,29 V

           Alguns dispositivos, como os medidores de vazão por efeito coriolis ou eletromagnéticos têm uma alta corrente de consumo. Por este motivo os mesmos não podem ser alimentados pelo próprio barramento, necessitando de uma alimentação externa. Ao calcular a queda de tensão no barramento Fieldbus deverá ser levado em consideração a corrente que o dispositivo consome na rede Fieldbus e não a corrente de consumo do equipamento, que normalmente tem um valor elevado. Por exemplo, o medidor eletromagnético tem um consumo típico de 20 VA. Se alimentado com uma tensão de 127 V a corrente de consumo do instrumento será em torno de 160 mA. Porém, para este dispositivo a corrente drenada do barramento FF é tipicamente de 12 mA.

            Para uma pequena rede é uma tarefa fácil calcular a queda de tensão manualmente, mas para uma planta com 500 dispositivos esse trabalho fica inviável. Pensando nisso a Fieldbus Foundation criou e disponibiliza gratuitamente o software DesignMate que faz esse trabalho e alerta sobre as limitações de projeto em uma rede FF. Segue o link para download: 

http://www.fieldbus.org/images/stories/enduserresources/technicalreferences/documents/designmate.zip

3.4.3        Tempo de Ciclo de Supervisão

Um importante aspecto quando se trabalha com sistemas Fieldbus é o tempo gasto para que todos os devices da linha possam "publicar" parâmetros de controle e monitoração de um processo. Este tempo deve ser minimizado tanto quanto possível pois pode-se comprometer o tempo de atualização dos links entre os blocos funcionais que operam na malha de controle em relação a velocidade do processo.

A atualização dos links é feita a cada Macro Cycle (MC) e este tempo pode variar dependendo do tipo de instrumento e seus parâmetros para publicação. Num projeto, deve-se verificar o tempo do MC para comparar com o tempo crítico do processo e verificar se o MC deste barramento não compromete a dinâmica do processo.

O tempo de ciclo em um barramento Fieldbus Foundation é dividido em   Tráfego Operacional (onde estão publicadas as informações de controle), que tem função cíclica e Tráfego Acíclico (onde são publicadas informações não de controle, como por exemplo dados de monitoração ou atuações vindas do software supervisório).

O tempo de tráfego acíclico pode ser definido e configurado pelo usuário através do software de configuração (o típico é ≥ 100 mseg).

O tempo de tráfego cíclico pode ser determinado pelo maior valor entre:

• A somatória dos tempos de execução dos blocos funcionais de cada device, e
• Cálculo do número de links externos (entre os devices ) multiplicados  por 30mseg.

Bom pessoal, por enquanto é só, aguardem a próxima postagem com a continuação desse tema e comentem e compartilhem com seus amigos. Siga-me no Twitter @marcio_frisso .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.