felipe s. lage (automaÇÃo bom )
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Universidade Federal de Ouro Preto
Escola de Minas - EM
Colegiado do Curso de Engenharia
de Controle e Automação – CECAU Escola de Minas
Felipe Stiegert Lage
Comunicação Industrial
Monografia de Graduação em
Engenharia de Controle e Automação
Ouro Preto, 2009
2
FELIPE STIEGERT LAGE
Comunicação Industrial
Monografia apresentada ao Curso de Engenharia de Controle e Automação da Universidade Federal de Ouro Preto como parte dos requisitos para a obtenção do Grau de Engenheiro de Controle e Automação
Orientador: Prof. Dr. Agnaldo José da Rocha Reis
Ouro Preto
Escola de Minas –UFOP
Agosto/ 2009
3
4
Agradecimentos
Esta obra é dedicada àqueles que sempre me apoiarão nesta vida por saberem do valor dos
princípios que me transmitiram: meus pais Alvaro e Eliane. Seu senso de justiça, honestidade e
garra me servirão como referência para sempre.
Aos meus irmãos, Annaline e Guilherme, sem os quais não seria possível seguir em frente em
muitas etapas importantes e que foram, graças a eles, superadas com maestria.
À ISA distrito 1 e a Jonas Berge pelo incentivo e por não enxergarem limites para a difusão do
conhecimento; ao Engenheiro Adailton Emerick (automacoes.com), pelas valiosas informações e
pelo auxílio e paciência em pontos críticos do trabalho.
E, por fim, expresso minha gratidão à grandiosa República Vira Saia e a todos os ensinamentos
ao longo dos anos, que vão muito além da Engenharia.
5
Ousar é, ainda, a melhor maneira de se vencer.
6
SUMÁRIO
LISTA DE FIGURAS..........................................................................................9
LISTA DE TABELAS.......................................................................................11
LISTA DE EQUAÇÕES....................................................................................12
RESUMO...........................................................................................................13
ABSTRACT.......................................................................................................14
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................................15
1.1 Objetivos ....................................................................................................................15
1.2 Justificativas...............................................................................................................16
1.3 Metodologia ...............................................................................................................18
1.4 Estrutura do Trabalho ................................................................................................18
2 HISTÓRICO .....................................................................................................................19
3 REDES INDUSTRIAIS ....................................................................................................21
3.1 Comunicação digital x analógica ...............................................................................21
3.2 Tipos de automação industrial ...................................................................................24
3.3 Terminologias e equipamentos típicos encontrados em uma rede.............................25
3.3.1 Cabeamento ........................................................................................................25
3.3.2 Barramentos, Spurs e Segmentos ......................................................................26
3.3.3 Fonte de alimentação ..........................................................................................30
3.3.4 Nós......................................................................................................................31
3.3.5 Terminadores ......................................................................................................31
3.3.6 Repetidores .........................................................................................................32
3.3.7 Módulos I/O remotos e caixas de junção ...........................................................33
7
3.3.8 Gateways ............................................................................................................34
3.3.9 Switches / Hubs ..................................................................................................35
3.3.10 Bridges................................................................................................................36
3.3.11 Servidores de Dispositivos .................................................................................36
3.3.12 Linking Devices (Dispositivos de Ligação) .......................................................37
3.4 Classificação e características das redes ....................................................................38
3.4.1 Classificação por extensão geográfica................................................................39
3.4.2 Topologias ..........................................................................................................40
3.4.3 Modos de transmissão dos dados .......................................................................45
3.4.4 Modos de acesso ao barramento.........................................................................46
3.5 Meios físicos ..............................................................................................................50
3.5.1 Cabos coaxiais ....................................................................................................50
3.5.2 Cabos de par trançado ........................................................................................51
3.5.3 Fibras ópticas......................................................................................................52
3.5.4 Wi-Fi – Wireless Fidelity (Fidelidade sem Fios) ...............................................53
3.6 Padrões de níveis físicos ............................................................................................54
3.6.1 O padrão RS-232 ................................................................................................54
3.6.2 O Padrão RS-485................................................................................................56
3.6.3 O padrão IEC 61158-2........................................................................................57
3.6.4 O Padrão Ethernet...............................................................................................59
3.7 Níveis hierárquicos ....................................................................................................62
3.8 Tipos de equipamento ................................................................................................64
3.8.1 Redes Sensorbus.................................................................................................65
3.8.2 Redes Devicebus ................................................................................................65
3.8.3 Redes Fieldbus....................................................................................................66
3.9 O modelo de referência OSI ......................................................................................67
3.9.1 Camada física (1)................................................................................................70
3.9.2 Camada de Enlace (2).........................................................................................70
3.9.3 Camada de Rede (3) ...........................................................................................71
3.9.4 Camada de transporte (4)....................................................................................71
3.9.5 Camada de sessão (5) .........................................................................................71
8
3.9.6 Camada de apresentação (6) ...............................................................................72
3.9.7 Camada de Aplicação (7) ...................................................................................72
4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO ...........................................................................73
4.1 Modbus ......................................................................................................................73
4.1.1 Modbus RTU - Terminal Unit (unidade terminal remota) .................................74
4.1.2 Modbus ASCII....................................................................................................75
4.1.3 Modbus/TCP.......................................................................................................75
4.1.4 Modbus Plus .......................................................................................................75
4.2 AS-interface ...............................................................................................................76
4.3 DeviceNet ..................................................................................................................79
4.4 HART.........................................................................................................................81
4.5 Profibus ......................................................................................................................85
4.5.1 Profibus PA (automação de processos) ..............................................................86
4.5.2 Blocos Funcionais ..............................................................................................87
4.5.3 Profibus DP (Periferia descentralizada) .............................................................88
4.6 Foudation Fieldbus (FF).....................................................................................91
4.6.1 Foundation Fieldbus H1 .....................................................................................93
4.6.2 Blocos .................................................................................................................94
4.6.3 Rede FF HSE (High Speed Ethernet) .................................................................96
5 GERENCIAMENTO DE ATIVOS ..................................................................................98
5.1 Manutenção Corretiva / Reativa ................................................................................99
5.2 Manutenção Preventiva............................................................................................100
5.3 Manutenção Preditiva ..............................................................................................100
5.4 Manutenção Pró-ativa ..............................................................................................100
5.5 DD (Device Description) .........................................................................................101
5.6 EDDL (Enhanced Device Description Language)...................................................102
5.7 FDT/DTM (Field Device tool / Device Type Manager)..........................................103
5.8 Diagnósticos avançados ...........................................................................................104
6 CONCLUSÃO ................................................................................................................106
REFERÊNCIAS .....................................................................................................................108
9
LISTA DE FIGURAS
Figura 1.1 - Ilustração de uma rede industrial aplicada a um processo genérico .........................17 Figura 3.1 - Exemplo de uma medição com transmissão de dados 4-20mA................................21 Figura 3.2 - Cabo com shield ........................................................................................................26 Figura 3.3 - Terminador de barramento, trunk e spurs..................................................................27 Figura 3.4 - Exemplo de um terminador de barramento...............................................................32 Figura 3.5 - Repetidor Fieldbus....................................................................................................33 Figura 3.6 - Terminal I/O remoto para Foundation Fieldbus .......................................................34 Figura 3.7 - Aplicação de um gateway.........................................................................................35 Figura 3.8 - Hub-Switch para Ethernet........................................................................................36 Figura 3.9 - Linking Device ........................................................................................................38 Figura 3.10 - Topologia em barramento........................................................................................41 Figura 3.11 - Topologia Ponto-a-ponto .........................................................................................42 Figura 3.12 - Topologia Estrela.....................................................................................................43 Figura 3.13 - Topologia em anel ...................................................................................................44 Figura 3.14 - Topologia end-to-end...............................................................................................44 Figura 3.15 - Relação cliente-servidor ..........................................................................................47 Figura 3.16 - Relação Publisher-subscriber...................................................................................48 Figura 3.17 - Relação source-sink .................................................................................................49 Figura 3.18 - Cabo coaxial ............................................................................................................51 Figura 3.19 - Cabo par trançado ....................................................................................................52 Figura 3.20 - Cabo de fibra óptica.................................................................................................53 Figura 3.21 - Sistema wireless.......................................................................................................54 Figura 3.22 - Conectores DB 25 (25 pinos) e DB 9 (9 pinos).......................................................56 Figura 3.23 - Cabos de par trançado para Ethernet com conectores RJ-45...................................60 Figura 3.24 - Faixa de Aplicação de redes Ethernet......................................................................61 Figura 3.25 - Arquitetura de redes industriais ...............................................................................63 Figura 3.26 - Classificação das redes ............................................................................................65 Figura 3.27 - Tipos de redes ..........................................................................................................67 Figura 3.28 - O modelo OSI ..........................................................................................................69 Figura 4.1 - Configuração Modbus ..............................................................................................74 Figura 4.2 - Rede AS-i..................................................................................................................77 Figura 4.3 - Cabeamento e logomarca das redes AS-i .................................................................78 Figura 4.4 - Cabeamento e logomarca das redes DeviceNet........................................................80 Figura 4.5 - O sinal HART ...........................................................................................................82 Figura 4.6 - FSK ...........................................................................................................................83 Figura 4.7 - Exemplo de aplicação inteligente utilizando HART® .............................................84 Figura 4.8 - Logomarca do protocolo Profibus ............................................................................85 Figura 4.9 - Comunicação Profibus.............................................................................................86
10
Figura 4.10 - Sistema mono-mestre...............................................................................................90 Figura 4.11 - Logomarca da Fieldbus Foundation ........................................................................92 Figura 4.12 - Blocos de controle ...................................................................................................95 Figura 4.13 - Integração das redes FF ...........................................................................................97 Figura 5.1 - Estrutura de um Device Description......................................................................101 Figura 5.2 - Tela de configuração e visualização de um EDDL.................................................102 Figura 5.3 - Tela de visualização e configuração de um DTM ..................................................104 Figura 5.4 - Tela do software Fieldcare, dedicado a gerenciamento de ativos...........................105
11
LISTA DE TABELAS
Tabela 3-1 - Cabeamentos típicos e alcance......................................................................................... 28 Tabela 3-2 - Comprimento máximo dos spurs para IEC 61158-2.......................................................... 30 Tabela 3-3 - Características da IEC 61158-2 ....................................................................................... 58 Tabela 3-4 - Ethernet comercial x industrial ........................................................................................ 61 Tabela 3-5 - Cabos, velocidades e distâncias máximas admitidas em plataformas Ethernet.................... 62 Tabela 4-1 - Protocolo Modbus........................................................................................................... 76 Tabela 4-2 - Redes AS-i ..................................................................................................................... 78 Tabela 4-3 - Redes DeviceNet ............................................................................................................ 81 Tabela 4-4 - Protocolo HART............................................................................................................. 84 Tabela 4-5 - Redes Profibus PA .......................................................................................................... 87 Tabela 4-6 - Redes Profibus DP .......................................................................................................... 90 Tabela 4-7 - Comparação entre as funcionalidades das redes FF H1 e FF HSE ................................... 97Tabela 4-8 - Foundation Fieldbus H1 .................................................................................................. 97
12
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 3.1 ..................................................................................................................................29 Equação 3.2 ..................................................................................................................................29
13
RESUMO
Os benefícios advindos do uso de redes em automação industrial e controle de processos são
múltiplos e, muitas das vezes, indispensáveis nos modernos projetos de engenharia. Os diversos
protocolos de comunicação hoje comumente encontrados nas indústrias podem ser caracterizados
como ferramentas indispensáveis cujo conhecimento torna-se imprescindível ao Engenheiro de
Controle e Automação. Entretanto, devido à ampla gama de plataformas de transmissão de dados
disponível, conhecimentos mais aprofundados sobre o assunto são requeridos, de forma a se obter
o máximo de funcionalidade em uma planta, evitar superdimensionamento de dispositivos e
garantir a interoperabilidade entre equipamentos. Neste trabalho, são avaliados os benefícios
envolvidos na utilização de redes no meio industrial, seguido de configurações típicas,
parâmetros básicos e equipamentos que são comumente encontrados nestes sistemas. De forma
subsequente, são expostas as hierarquias da comunicação industrial de acordo com o tipo e
complexidade dos dados transmitidos, possibilitando ser iniciada a tomada de decisão acerca do
método a ser empregado. O modelo de referência OSI (Open Systems Interconnection), tomado
como padrão para a maior parte dos sistemas de comunicação disponíveis no mercado, é,
também, explicitado, e sua aplicação, de forma geral, é demonstrada. Por fim, são expostos os
principais protocolos de comunicação industrial disponíveis para as mais diversas configurações
de rede, juntamente com suas características principais. É, também, desenvolvido um estudo
introdutório sobre sistemas de gerenciamento de ativos, a partir do qual torna-se possível
conhecer as principais as técnicas e os benefícios envolvidos nesta nova ferramenta auxiliar de
manutenção e diagnósticos. Aliando-se o emprego de fieldbuses aos modernos sistemas de
gerenciamento de ativos, os custos operacionais de uma planta são significativamente reduzidos e
melhorias consideráveis nos padrões produtivos da empresa podem ser obtidas.
Palavras chave: Redes industriais, comunicação digital, fieldbus, gerenciamento de ativos.
14
ABSTRACT
The benefits arising from the usage of industrial network systems in processes control are many
and considered essential in modern communication projects. The various communication
protocols commonly found in the industries can be characterized as fundamental tools whose
knowledge becomes indispensable to the Control and Automation Engineer. However, the wide
range of platforms available for data transmission requires further study on the subject in order to
obtain maximum of functionality of a plant and avoid oversized specifications of systems, while
ensuring interoperability between devices. In this work, first, the benefits involved in the use of
networks in the industry are evaluated, followed by typical configurations, parameters and basic
equipment that are commonly found in these systems. Subsequently, the industrial
communication hierarchies are exposed according to the type and complexity of data transmitted,
configuring the initial idea about the communication method to be employed. The OSI (Open
Systems Interconnection) reference model, taken as a reference for most communication systems
available, is also explained, and its application is, in general, demonstrated. Finally, the main
industrial communication protocols, available for many different network configurations, are
exposed, along with basic parameters for configuration. It is also developed an introductory study
on asset management systems, from which it is possible to learn the techniques and benefits
involved in this new tool designed in order to help the maintenance sector. Combining the usage
of industrial fieldbus networks to modern systems of management of assets, operating costs of a
plant are significantly reduced, along with a vast improvement in the company’s productive
standards.
Key Words: Industrial networks, digital communication, fieldbuses, asset management.
15
1 INTRODUÇÃO
A integração das etapas que envolvem os processos produtivos vem sendo cada vez mais buscada
nos diversos segmentos industriais. Atualmente, encontra-se como um dos elementos
fundamentais para se atingir os rigorosos padrões produtivos requeridos, dada a competitividade
do mercado mundial. Assim, as redes industriais tem papel fundamental neste processo, de tal
forma que sua utilização em detrimento às técnicas obsoletas de comunicação industrial pode
prover agilidade, robustez e eficiência aos sistemas de comunicação.
A instalação e manutenção de sistemas de transmissão de dados convencionais implicam em altos
custos, principalmente quando se deseja ampliar instalações preexistentes. Para tanto, são
requeridas grandes somas para elaboração de projetos e compra de equipamentos. Buscando
minimização de custos e aumento da operabilidade das aplicações, introduziu-se o conceito de
redes industriais para interligar os vários equipamentos de uma planta de forma eficiente e
possibilitar a expansão destas instalações de forma simplificada.
A opção pela implementação de sistemas de controle baseados em redes industriais requer
estudos aprofundados sobre o assunto, visando-se determinar qual tipo de rede possui as maiores
vantagens de implementação a um dado processo produtivo. Deve-se buscar estruturas de
transmissão de dados de aplicações compatíveis com o maior número possível de equipamentos
disponíveis em planta, onde integração e interoperabilidade devem receber prioridade. (SMAR
EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2008).
1.1 Objetivos
São estudados os protocolos de comunicação mais importantes, visando-se obter base para a
elaboração de projetos de redes industriais. Para tanto, devem ser observadas as necessidades de
cada nível da planta, dividindo-se os protocolos de comunicação em níveis hierárquicos. O estudo
introdutório das técnicas de gerenciamento de ativos e seus benefícios associadas ao uso de redes
industriais é também realizado, onde sua implementação junto aos fieldbuses torna-se uma
16
ferramenta poderosa que pode gerar reduções significativas de custos e refinamento dos
parâmetros nos processos produtivos.
1.2 Justificativas
O uso das redes industriais nos processos produtivos acarreta em uma série de benefícios e
soluções para problemas comuns advindos das técnicas convencionais de comunicação,
manutenção e controle de processos.
Um dos principais inconvenientes relacionados às antigas técnicas de transmissão de dados é
fundamentado nos elevados gastos com materiais e equipamentos. Este entrave é gerado devido à
necessidade de se levar cada sinal partindo-se dos instrumentos, individualmente, até o sistema de
controle, aumentando-se excessivamente o número de cabos, canais de comunicação e até mesmo
de controladores no sistema. Além dos inconvenientes gerados com a instalação e os custos da
mesma, dificultavam-se as operações de manutenção na planta, uma vez que a detecção de um
problema implicaria em, muitas das vezes, a reposição de todo o cabeamento utilizado na ligação
do equipamento. Ainda, o sistema de controle tornava-se restrito e o uso dos controladores não
poderia ser estendido devido às limitações impostas pelos sistemas de aquisição de dados e de
controle, dado o reduzido número de entradas e saídas associado à lentidão na transmissão de
dados e a centralização do processamento de informações.
Outro inconveniente é dado devido à dificuldade de adaptação do sistema quando da necessidade
de se empregar novos equipamentos no processo, onde seria, mais uma vez, necessário passar a
todo o cabeamento do campo até o sistema de controle. Além de tudo, não era possível obter
variabilidade quanto aos fornecedores, uma vez que grande parte dos fabricantes de
equipamentos desenvolvia sua própria plataforma de comunicação (ou Sistemas Proprietário), o
que inviabilizava a comunicação entre dispositivos de fabricantes distintos por simples
incompatibilidade.
Desta forma, dada a ascensão das redes industriais, além da quase universalização de plataformas
de comunicação (com a aplicação dos Sistemas Abertos, alternativamente aos Sistemas
17
Proprietário), obteve-se grande redução de custos e tempo envolvidos nos projetos; a manutenção
foi, aos poucos, tornando-se mais objetiva e eficaz. Foi, também, facilitada a inserção de novos
equipamentos na rede, onde os mesmos podiam ser simplesmente linkados nos barramentos
utilizados. Os fabricantes tornam-se, por suas vezes, a cada dia mais flexíveis quanto à
compatibilidade de seus equipamentos, onde os mesmos, muitos dos casos, já são configuráveis
para operação em diversas plataformas de redes (FIGURA 1.1).
Figura 1.1 - Ilustração de uma rede industrial aplicada a um processo genérico
FONTE: HONEYWELL PROCESS SOLUTIONS, 2009
Sobre este mesmo contexto, os sistemas de gerenciamento de ativos modernos têm sido
amplamente difundidos e aderidos pelas empresas. Trata-se de uma tecnologia possibilitada pelo
surgimento dos fieldbuses, através dos quais são obtidas informações precisas a respeito de cada
instrumento empregado no processo, como dados de fabricação, calibração, curvas de
desempenho, datas de manutenção programada e diagnósticos precisos de defeitos e erros. Com
isso, possibilita-se ampla redução de custos de manutenção e reposição de dispositivos de uma
18
planta, além da atenuação da necessidade de paradas gerais para manutenção, muitas das vezes
desnecessárias.
Assim, faz-se necessário como uma das atribuições do Engenheiro de Controle e Automação
conhecer, dimensionar e projetar sistemas de redes industriais, sabendo, dentre os diversos meios
físicos e protocolos disponíveis, quais são adequados às diversas situações que podem ser
encontradas no campo. Os benefícios e a economia que os fieldbuses podem trazer a uma unidade
produtiva devem ser observados e aliados aos sistemas de gerenciamento de ativos, sendo, desta
forma, essencial conhecer as técnicas disponíveis no mercado e suas diversas aplicações.
1.3 Metodologia
Para o desenvolvimento do trabalho são pesquisados os sistemas de comunicação industrial mais
importantes e comumente encontrados nos processos produtivos, bem como sua evolução ao
longo dos anos. São consultados diversos profissionais conceituados da área, que lidam com
comunicação industrial e ministram treinamentos sobre o assunto.
1.4 Estrutura do Trabalho
O segundo capítulo é iniciado por um breve histórico da evolução dos sistemas de comunicação
industrial, seguido da comparação entre técnicas modernas e obsoletas de transmissão de dados.
O terceiro capítulo apresenta importantes conceitos e classificações utilizadas para as redes
industriais, suas arquiteturas típicas e os equipamentos e termos comumente relacionados a estes
sistemas. O capítulo 4 aborda os principais protocolos de comunicação industrial disponíveis,
configurando-se como base para a orientação acerca da escolha de uma plataforma de
comunicação em aplicações gerais, bem como práticas aconselháveis para elaboração de projetos
de redes industriais. O quinto capítulo trata de tópicos de gerenciamento de ativos, com uma
abordagem introdutória sobre um assunto que vem ganhando espaço no meio industrial.
19
2 HISTÓRICO
Nos primeiros sistemas de controle e comunicação remota com instrumentos desenvolvidos, os
processos de instrumentação utilizavam, prioritariamente, sinais analógicos de pressão para a
transmissão de dados. Este sinal era, geralmente, da ordem de 3 a 15 psi. Devido aos diversos
inconvenientes gerados por esta forma de transmissão de dados, já na década de 60 os padrões de
sinal 4 a 20 mA passaram a ser empregados. Assim, obteve-se melhorias substancias em aspectos
como a ocorrência de ruídos, facilidade de implementação e integração e comunicação direta
entre os sistemas de controle e os instrumentos de campo, uma vez que o sinal elétrico poderia
ser obtido a partir dos instrumentos e levado diretamente aos sistemas de controle, aumentando
significativamente a confiabilidade destas unidades. Entretanto, os instrumentos com
funcionamento baseado em sinais de pressão ainda existem no mercado, principalmente sobre a
forma de válvulas de controle e cilindros pneumáticos.
A evolução da computação foi, a partir da década de 70, outra grande mudança no controle de
processos, onde foi possibilitado o uso dos mesmos para monitorar e controlar uma série de
instrumentos a partir de um ponto central. Desta forma, dado o crescente número de tarefas a
serem controladas, já se tornava necessária a criação de padrões de comunicação mais eficientes,
de forma a descentralizar o controle de processos e aumentar a confiabilidade e organização dos
sistemas.
Na década de 80 os sensores inteligentes começaram a ser desenvolvidos e utilizados em sistemas
microcontrolados, que aliavam confiabilidade e rapidez a baixos custos operacionais. Esta
tendência gerou forte movimentação em fóruns internacionais e sociedades como ISA
(Instrument Society of America), IEC (International Electrotechnical Commission), Profibus
(Padrão Nacional Alemão) e FIP (Padrão Nacional Francês). Assim, foi constituído o comitê
IEC/ISA SP50 Fieldbus, cujo objetivo seria a criação e especificação de normas e padrões para
instrumentação. O padrão a ser desenvolvido deveria integrar os diferentes tipos de instrumentos
de controle, proporcionando uma interface para a operação de diversos dispositivos
simultaneamente e um conjunto de protocolos de comunicação para todos eles (DA SILVA,
CRUZ, ROSADO, 2006)
20
Há cerca de 10 anos, o nível administrativo já possuía o padrão TCP/IP, porém, o nível de chão-
de-fábrica possuía outros protocolos denominados fieldbuses. Esses protocolos foram se
difundindo, devido à relação custo-benefício advinda do uso de redes industriais de comunicação
quando comparado a sistemas tradicionais de transmissão de dados. E cada uma dessas novas
plataformas elaborou sua maneira de enviar dados do chão-de-fábrica até os níveis mais altos da
hierarquia industrial, o que, apesar dos benefícios gerados, constitui-se em um grande empecilho
ao desenvolvimento e aplicação a nível global destas tecnologias (LUGLI, SANTOS, FRANCO,
2008).
No nível de controle, a tendência à descentralização é fortemente assumida, onde os já
inovadores SDCDs dão lugar aos FCS (Field Control Systems), técnica possibilitada pelo
surgimento dos modernos protocolos fieldbus de comunicação industrial. Assim, a necessidade de
controladores nas plantas é, aos poucos, reduzida, sendo a função dos mesmos realizada, agora,
pelos próprios instrumentos. Projetos que implementam transmissões de sinais analógicos tem se
tornado cada vez mais raros, dando lugar, agora, às novas plataformas de comunicação industrial
baseadas exclusivamente em comunicação por intermédio de sinais digitais.
21
3 REDES INDUSTRIAIS
3.1 Comunicação digital x analógica
Uma das maiores evoluções das antigas técnicas de transmissão de dados comparadas às
modernas deu-se quando da mudança na natureza dos sinais transmitidos. Conforme mencionado
no capítulo anterior, utilizou-se, por um certo período, o sinal analógico de pressão, sendo este
substituído, posteriormente, pelo sinal de corrente 4 a 20 mA.
O sinal analógico de corrente pode ser entendido como uma linearização e comparação dos
valores registrados por um dado instrumento (como um sensor de temperatura, por exemplo)
dentro de um determinado range. Por range, entende -se tratar de uma faixa compreendida entre
um valor máximo e mínimo, dentro da qual o instrumento realizará medições.
Desta forma, no padrão 4-20 mA o range mínimo é atribuído ao valor 4mA e o range máximo ao
valor 20 mA. Neste intervalo, os demais valores registrados pelo instrumento serão dispostos em
forma de corrente análoga o valor da variável medida. A ilustração a seguir (FIGURA 3.1)
demonstra um exemplo comum de um instrumento 4-20 mA aplicado à medição de nível de um
reservatório:
Figura 3.1 - Exemplo de uma medição com transmissão de dados 4-20mA
BANNER ENGINEERING CORP, 2009
22
Pode-se observar que para o nível mínimo do tanque (0 galão), o instrumento utilizado para a
medição gera uma corrente de 4mA; de forma análoga, para o nível máximo (500 galões), a
corrente gerada pelo instrumento é de 20 mA. Os valores compreendidos entre 0 e 500 galões
gerarão, proporcionalmente, essa variação de corrente, podendo-se afirmar que, em situação
ideal, que a variação de 1mA de corrente na saída do aparelho é gerada pela alteração de 31,25
galão no nível do tanque. É valido lembrar que outras diversas formas de medição e transmissão
analógicas existem e funcionam de forma semelhante, tais como o sistema 0-20 mA e o 0-10 V.
O valor da variável medida pelo instrumento é, por fim, transmitido através da fiação sobre a
forma de um sinal elétrico (geralmente DC), sinal este que será interpretado pelo sistema de
controle que, quando necessário, gerará medidas compensatórias ou corretivas como saídas
também em forma de corrente (ou outra forma analógica, dependendo-se do sistema empregado)
para os atuadores.
Tais informações possibilitam a compreensão de como os antigos sistemas de transmissão de
dados eram estruturados, bem como da necessidade de se lançar cabeamento individual a partir
de cada instrumento do campo até o sistema de controle, haja vista às dificuldades de transmissão
de diferentes sinais analógicos de corrente DC simultaneamente em uma mesma fiação.
Outro inconveniente encontrado nos sistemas de transmissão analógico diz respeito às
interferências e falseamento de valores transmitidos. Estas incorreções podem ser dadas por
diversos fatores, sobre muitos dos quais não se é possível ter controle, como interferências
eletromagnéticas causadas por outros equipamentos e a presença de ruídos na linha de
transmissão. Estes fatores podem provocar a alteração do valor da corrente transmitida, apesar de
que este novo valor será colhido e interpretado como uma referência válida, porém incorreta,
fornecida pelo instrumento de medição. Por exemplo, se um instrumento indica um determinado
nível através do valor de corrente de 15mA, uma interferência na linha pode levar esse valor a
14,5mA, que será interpretado como um determinado nível do tanque análogo a esse valor de
corrente e diferente do que foi realmente registrado pelo instrumento (BERGE, 2004).
Uma saída para a eliminação de todos estes problemas foi encontrada com a utilização de
sistemas digitais de transmissão de dados. A grande diferença reside no fato de que os dados
serão transmitidos sobre a forma de uma cadeia de “zeros” (0) e “uns” (1) ao longo do
23
cabeamento. Esta tecnologia permite uma grande soma de benefícios, como a transmissão dos
valores registrados por diversos instrumentos através de um meio físico comum, possibilitando
que sinais de equipamentos diversos possam ser facilmente diferenciados e interpretados pelo
sistema de controle de acordo com a configuração da informação recebida (BERGE, 2004).
Eliminam-se, também, interferências e falseamentos na transmissão dos dados, uma vez que uma
cadeia de informações digitais terá os dados que carrega alterados pelos fatores anteriormente
citados; caso o sinal seja levado até o sistema de controle, este terá em mãos valores efetivamente
registrados e lançados pelo instrumento sobre a variável que está sendo medida. Obviamente, a
mesma relação é observada em relação ao envio de dados a partir do sistema de controle até os
atuadores e demais equipamentos do processo.
As transmissões de sinais digitais eliminam, também, a necessidade de conversores A/D e D/A
nos loops de controle, uma vez que os dispositivos que integram as redes de comunicação em
seus mais diversos níveis operam com sinais digitais. Cada conversão efetuada acrescenta ao
sistema um tipo de atraso chamado erro de quantização. Para efeitos práticos, quatro estágios de
conversão podem gerar erros da ordem de 1%.
Um dos problemas relacionados à comunicação digital são as diversas possibilidades de se fazê-
la. Diversos fabricantes de equipamentos para automação e comunicação industrial conceberam,
ao longo dos últimos anos, plataformas próprias de comunicação, acarretando em grande
incompatibilidade entre produtos de origens distintas. Assim, uma das metas da padronização de
protocolos de comunicação (a forma como se representam, codificam e transmitem os dados),
que tem evoluído significativamente nos últimos anos, é o desenvolvimento de padrões abertos
através dos quais todos os dispositivos possam realizar transmissões, tornando facilitada a
comunicação entre equipamentos de fabricantes diferentes.
24
3.2 Tipos de automação industrial
Comumente, uma terminologia é empregada na diferenciação entre dois tipos de automação:
Automação de Fábrica (Factory Automation, ou FA) e Automação de Processos (Process
Automation, ou PA).
Fábricas com linhas de montagem, como as indústrias automotivas e de engarrafamento, são
predominantemente controladas utilizando-se lógica discreta e sensores que indicam, por
exemplo, se uma máquina possui uma caixa a sua frente ou não. Os tipos de rede para as entradas
e saídas (I/O) discretas simples focam pacotes pequenos de dados, tornando-se indevidas para
mensagens maiores como parâmetros de configuração e blocos funcionais.
Assim, compreende-se que a automação de fábrica envolve maquinário de movimentação rápida
e requer respostas mais velozes comparadas aos processos mais lentos. Tradicionalmente, estas
tarefas tem sido executadas por Controladores Lógicos Programáveis (PLCs) e são caracterizadas
como FA (Factory Automation).
Plantas de processos em segmentos industriais como refinamento, papel e celulose, energia e
produtos químicos são dominadas por controle regulatório contínuo. A medição é analógica (e
com valores escalares transmitidos, na maioria dos casos, digitalmente) e a atuação é dada através
de diversas ações corretivas de controle em sistemas de malha fechada. Este tipo de automação é
conhecido como PA (Process Automation) ou automação de processos. Obviamente, as indústrias
de processos utilizam, também, controle discreto de variáveis em diversas etapas do processo.
Alguns tipos de redes utilizadas em automação de processos são Foundation Fieldbus, Profibus
PA e HART, sendo estas variedades tipicamente conhecidas como fieldbuses. O termo, quando
iniciado por letra minúscula (fieldbus), não deve ser confundido com Fieldbus Foundation,
instituição que desenvolve o protocolo Foundation Fieldbus (FF).
25
3.3 Terminologias e equipamentos típicos encontrados em uma rede
Para que se estabeleça uma rede num ambiente industrial é imprescindível conhecer os
equipamentos e as terminologias que estão comumente associados a tais sistemas, sendo os
mesmos apresentados a seguir:
3.3.1 Cabeamento e meios físicos
Para cada protocolo existe um padrão específico de transmissão de dados, que implica em
restrições quanto ao meio físico a ser utilizado. De modo geral, utilizam-se cabos coaxiais, cabos
de par trançado, fibras ópticas e radiofrequência como meios de transmissão.
Na maioria dos casos, os cabos são constituídos de pares trançados de fios metálicos, sendo estes,
geralmente, envolvidos por malha metálica de blindagem ou shield (FIGURA 3.2). Estes cabos,
na maioria dos casos, provêm, além da transmissão das informações, a alimentação elétrica para
os dispositivos, onde uma fonte (geralmente 24 VDC) é conectada ao barramento. É comum
encontrar, porém, casos onde a alimentação é feita através do shield do cabo, prática esta que
deve ser evitada dadas as ocorrências de interferências na linha e quedas na qualidade de
transmissão.
26
Figura 3.2 - Cabo com shield
Fonte: LUDWIG, 2006.
Manter os cabos longe de fontes de perturbações externas e evitar a coexistência de sinais
fieldbus e não-fieldbus no mesmo cabo (mesmo que em núcleos distintos) são boas práticas de
projeto.
3.3.2 Barramentos, Spurs e Segmentos
Por barramento entende-se tratar de uma fiação única e extensa que pode percorrer grandes
distâncias em uma planta. O barramento principal é chamado Trunk (tronco) (FIGURA 3.3).
Pode estar conectado partindo-se do sistema de controle diretamente aos dispositivos de campo.
Entretanto, é comum que ao trunk sejam acoplados segmentos secundários de cabo, chamados
spurs, e a estes sejam conectados os instrumentos, como pode ser observado na ilustração a
seguir:
27
Figura 3.3 - Terminador de barramento, trunk e spurs
Fonte: SMAR INDUSTRIAL AUTOMATION, 2009
As redes industriais são constituídas, geralmente, por um único segmento principal, dotado de
terminador no início e no fim do barramento. Assim, todos os dispositivos de uma rede são
conectados a uma única porta na interface, que pode utilizar diversas portas modulares para
conexão de diversas outras redes e comunicá-las com servidores.
Extensões maiores de cabos, conhecidas como segmentos, podem ser conectadas ao trunk. Para
tanto, devem ser utilizados repetidores e também terminadores, cujas funções são explicitadas
mais adiante.
É importante lembrar que a disposição destes elementos em uma rede está relacionada à
topologia a ser empregada na configuração na mesma. Entretanto, recomenda-se conectar
dispositivos de forma que a inserção ou remoção dos mesmos não interrompam o trunk, e,
consequentemente, a linha principal de transmissão. Na maioria das redes, o trunk é um cabo
provido de diversos núcleos que são utilizados por redes distintas, tornando simplificado o
esquema de cabeamento para uma planta.
28
A alimentação dos instrumentos pode, em alguns casos, ser fornecida a partir do próprio
barramento de dados, sem que ocorra, entretanto, interferências às informações transmitidas.
Entretanto, quando a alimentação por barramento é utilizada, a queda de voltagem ao longo do
fio ocasionada pelo consumo de corrente dos dispositivos é fator limitante para determinação dos
comprimentos máximos possíveis para fiação e para a determinação do número máximo de
dispositivos que podem ser conectados a uma mesma rede. Para se obter maximização destes
números, devem ser utilizadas fontes de alimentação de maior tolerância e potência, aliadas a fios
de seção transversal aumentada de forma a reduzir a resistência elétrica dos mesmos. A tabela 3.1
fornece base para determinação prática destes valores:
3.1- Cabeamentos típicos e alcance
Shield Trançado Tamanho Comprimento Tipo
Sim Sim 0.8 mm² (AWG
18) 1.900 m A
Sim Sim 0.32 mm² (AWG
22) 1.200 m B
Não Sim 0.13 mm² (AWG
26) 400 m C
Sim Não 1.25 mm² (AWG
16) 200 m D
A determinação destes valores pode ser feita através da Lei de Ohm, conforme o exemplo de uma
situação com a qual comumente se depara em projetos de redes industriais:
29
Exemplo 3.1
Um dispositivo fieldbus necessita de, no mínimo, 9 V para operação. Para operações que não
requerem segurança intrínseca, a fonte de alimentação excede, tipicamente, 21 V, e a corrente
consumida por um dispositivo de campo, geralmente, é da ordem de 12 mA. O cabo utilizado
possui resistência de 22 Ohm/km em cada um de seus dois condutores. Para uma rede com 16
dispositivos, calcula-se a máxima distância como 1.4 km, conforme os cálculos:
Equação 3.1
Para 1.9 km de cabo do tipo A (ver tabela 3.1), o número máximo de dispositivos é calculado
como 12:
Equação 3.2
O comprimento máximo serve como referência para determinação do alcance e área de cobertura
de uma rede, devendo ser confirmado mediante o somatório dos comprimentos dos spurs e
comprimento do respectivo segmento principal. Uma relação prática entre o número de spurs e
dispositivos presentes em uma rede pode ser observada na tabela 3.2, servindo como referência
30
para a determinação destes valores. Entretanto, não existem valores absolutos, podendo as
recomendações apresentadas serem adaptadas a cada caso mediante bom julgamento:
Tabela 3.2 - Comprimento máximo dos spurs para IEC 61158-2
Número de Spurs 1 dispositivo
2 dispositivos
3 dispositivos 4 dispositivos
25-32 - - - - 19-24 30 m - - - 15-18 60 m 30 m - - 13-14 90 m 60 m 30 m - 1-12 120 m 90 m 60 m 30 m
É válido salientar que não é recomendado conectar mais do que quatro dispositivos por spur e
que, convencionalmente, o comprimento dos mesmos em instalações que requerem segurança
intrínseca não deve exceder 30 m (BERGE, 2004).
3.3.3 Fonte de alimentação
As fontes de alimentação devem ser utilizadas quando necessário energizar os instrumentos por
intermédio da mesma fiação utilizada na transmissão de dados.
Para protocolos como Foundation Fieldbus H1 ou Profibus PA os dispositivos energizados por
barramento operam entre 9 e 32 VDC. Tipicamente, as fontes de alimentação possuem tensão de
saída por volta de 24 VDC. O consumo de energia pode ser diferente de um tipo de dispositivo
para outro, sendo, porém, tipicamente 12 mA. Por outro lado, alguns dispositivos podem
apresentar consumos tão altos como 24 mA. Desta forma, fontes de alimentação de 300 mA são
suficientes para a maioria das instalações (BERGE, 2004).
As fontes, devem ser conecta-das ao barramento principal, juntamente a um módulo de
impedância entre a fonte e o sistema. O uso do módulo é dado pelo fato de a impedância de saída
31
da fonte ser praticamente nula, acarretando em curto-circuito do sinal de comunicação. As fontes
e módulos de impedância devem ser, geralmente, redundantes.
3.3.4 Nós
Os elementos conectados aos barramentos são chamados nós. Podem ser tanto sensores como
atuadores, e o número de nós que pode ser conectado a cada barramento ou na totalidade de uma
rede são limitados e diferenciados de acordo com cada protocolo (BERGE, 2004).
O limite de nós por segmento é dado pela impedância de entrada dos equipamentos. Quando
alimentação pelo barramento é utilizada (maioria dos casos), recomenda-se conectar, de forma
geral, 16 dispositivos por segmento. Caso alimentação externa seja utilizada, este limite é
estendido a 32.
Para redes maiores, com diversos segmentos lançados por repetidores, o número de dispositivos
por rede atinge, teoricamente, 240 para Foundation Fieldbus e 126 para Profibus PA, sendo os
dois protocolos mencionados estudados mais adiante, no capítulo 4. Entretanto, a resistência dos
fios, o consumo de corrente dos dispositivos, a capacidade de memória interna de dispositivos de
interface e as baixas taxas de atualização obtidas limitam cada rede a utilizar, na prática, 16
dispositivos. Apesar de parecer um número restrito, as plantas industriais não possuem apenas
uma rede de dispositivos, mas diversas, que podem ser interconectadas e remover, assim, diversas
limitações.
3.3.5 Terminadores
Numa determinada linha de cabeamento, para a grande maioria dos protocolos, é imprescindível
que sejam aplicados, ao fim de cada segmento, o terminador de barramento. Trata-se de um
32
dispositivo de característica resistiva que é acoplado à rede de forma a evitar as reflexões de sinal
que podem ocorrer ao fim de um barramento, evitando-se, assim, possíveis colisões indesejadas
de dados. Os terminadores (FIGURA 3.4) são também responsáveis pela conversão da mudança
de corrente gerada por um transmissor em uma mudança de voltagem no segmento, que é captada
por todos os dispositivos conectados à rede e que tornam-se, assim, aptos a receberem o sinal.
Figura 3.4 - Exemplo de um terminador de barramento
Fonte: ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL, 2009.
Os terminadores devem ser empregados em cada uma das extremidades dos segmentos.
Entretanto, muitas das vezes estes elementos podem já ser parte da estrutura de módulos de I/O
remotos, controladores e até mesmo repetidores, dispensando-se, neste caso, a conexão do
terminador separadamente.
3.3.6 Repetidores
Dentre as diversas considerações a serem feitas em um projeto de rede, a limitação do
comprimento do cabo é talvez uma das primeiras a serem observadas. À medida que é dado o
trânsito de informações através dos barramentos, observa-se a degradação e distorção das
mesmas, sendo este efeito conhecido como atenuação de sinal.
Para cada protocolo determina-se o comprimento máximo total que uma rede pode ter, podendo-
se, entretanto, lançar mão dos repetidores de sinal e atenuar estas limitações. Estes são
33
dispositivos que permitem que o barramento seja estendido um pouco além de seu comprimento
máximo, sendo, porém, seu uso limitado de acordo com o protocolo empregado (FIGURA 3.5).
Figura 3.5 - Repetidor Fieldbus
Fonte: LUDWIG, 2006
Geralmente, cerca de trinta e dois repetidores podem ser conectados ao mesmo segmento de rede
e recomenda-se não utilizar mais do que quatro repetidores entre dois dispositivos, significando
que estes podem ser separados por, no máximo, cinco segmentos. Recomenda-se também que,
para fieldbuses, no máximo quatro repetidores sejam utilizados em série (BERGE, 2004).
3.3.7 Módulos I/O remotos e caixas de junção
Visando-se otimizar e ampliar as possibilidades de conexão de instrumentos à rede, podem ser
utilizados terminais de entrada e saída remotos (I/O remotos) e elementos de conexão de
dispositivos (caixas de junção ou junction boxes). Trata-se de dispositivos aos quais se conectam
os instrumentos de campo, que são, assim, conectados a um barramento de rede, conforme pode
34
ser visualizado na Figura 3.6. A quantidade de unidades I/O remotas deve ser respeitada,
observando-se os limites que cada protocolo impõe. Em contrapartida, a utilização das unidades
remotas pode maximizar o número de equipamentos que podem ser conectados a uma rede.
Figura 3.6 - Terminal I/O remoto para Foundation Fieldbus
Fonte: SOFT PLC CORPORATION, 2009.
3.3.8 Gateways
Para a comunicação entre os diversos níveis que envolvem uma rede, bem como para que se
consiga trocar dados entre redes de protocolos distintos, utilizam-se dispositivos denominados
gateways. Através dos mesmos, pode-se obter interfaceamento entre redes de arquiteturas e
estruturas de informação distintas, devendo este gateway ser específico por aplicação (ex.:
gateway para conexão de Profibus DP a Ethernet IP) (FIGURA 3.7).
35
Figura 3.7 - Aplicação de um gateway
Fonte: LUGLI, 2008.
3.3.9 Switches / Hubs
Os switches podem ser vistos como repetidores inteligentes, utilizados em protocolos baseados no
padrão Ethernet. Assim, amplificam os sinais recebidos e fazem análise inteligente dos pacotes de
bits que devem ser transferidos. Deste modo, todas as informações recebidas em suas portas são
verificadas quanto à sua integridade e, caso não estejam corrompidas, são entregues ao
destinatário especificado (HMS INDUSTRIAL NETWORKS...2009). Os hubs, por sua vez, são
empregados quando da necessidade de interligar segmentos distintos de redes Ethernet,
publicando a mensagem recebida em uma de suas portas para várias outras. Comumente estas
funções são encontradas em um mesmo equipamento.
36
Figura 3.8 - Hub-Switch para Ethernet
Fonte: FIELD SERVES TECHNOLOGIES, 2009.
3.3.10 Bridges
As redes de dispositivos podem ser interligadas através de equipamentos específicos. Assim, é
possibilitada a transmissão de dados entre segmentos de redes distintas que compartilhem o
mesmo protocolo. O uso de bridges amplia as possibilidades de extensão e promove uma
alternativa às limitações dos segmentos individuais das redes quanto ao número de dispositivos e
volume de dados.
3.3.11 Servidores de Dispositivos
Para que instrumentos de comunicação serial tornem-se disponíveis para níveis de protocolo
ethernet, utilizam-se os servidores de dispositivos (ou device servers). Trata-se de componentes
37
físicos que permitem que todas as atribuições e funções requeridas pelo item possam ser
acessadas através da rede, eliminando-se a necessidade de conexão direta por porta serial.
O uso destes equipamentos é justificado quando da necessidade de se alocar equipamentos de
transmissão serial de dados distante do sistema de controle, haja vista às limitações que esta
forma de transmissão impõe quanto às distâncias de transmissão. Possibilitando-se a
comunicação do equipamento com a Ethernet, ampliam-se significativamente estas distâncias
(POWERSOFT CONTROLE SYSTEMS, 2003).
3.3.12 Linking Devices (Dispositivos de Ligação)
Os Linking Devices são equipamentos utilizados para conexão de redes de nível de campo a
níveis superiores diretamente através das redes de alta velocidade de nível de servidores. Estes
equipamentos já são construídos, geralmente, junto às estações de I/O remotas, dispensando o uso
de interfaces adicionais.
Os Linking Devices (FIGURA 3.9) bufferizam as informações de forma a anular as diferenças de
velocidade entre os níveis de rede de dispositivos e de servidores. Podem apresentar diversas
portas e outras funcionalidades, como atuar como controladores. Os links não limitam o
funcionamento de redes de alta velocidade conectadas a redes de velocidade inferior. Os couplers
(ou acopladores), por suas vezes, reduzem a taxa de transmissão das redes mais velozes de forma
a promover compatibilidade entre os segmentos de velocidades distintas conectados.
38
Figura 3.9 - Linking Device
Fonte: HERMINI, 2005.
3.4 Classificação e características das redes
Existem diversas possibilidades de configuração para uma rede industrial, o que as torna flexíveis
e aptas a atenderem às mais distintas necessidades. As redes podem ser caracterizadas a partir de
parâmetros diversos como abrangência, modo de transmissão de dados e topologia, dentre outros
aspectos fundamentais para a compreensão e aplicação dos sistemas de comunicação modernos.
39
3.4.1 Classificação por extensão geográfica
As redes podem ser classificadas de acordo com sua extensão, subdividindo-as em LAN (Local
Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), WAN (Wide Area Network) e WLAN
(Wireless Local Area Network).
3.4.1.1 Rede de área local (LAN)
Uma LAN caracteriza-se por ocupar uma área limitada a, no máximo um edifício, ou alguns
prédios próximos. Muitas vezes são limitadas a apenas um pavimento do estabelecimento, um
conjunto de salas, ou até uma única sala. São redes de velocidade média a alta, que geralmente
está compreendida entre 10 Mbps a 1 Gbps, sendo atualmente o valor de 100 Mbps o mais
comumente utilizado (MOREIRA, 2009).
3.4.1.2 Rede locais sem fios (WLAN)
Recentemente, tem crescido a utilização de redes locais sem fios, conhecidas com WLAN
("Wireless Local Area Network"). Além de serem adequadas a situações onde se faz necessária
mobilidade dos dispositivos, são flexíveis e de fácil instalação. Embora os equipamentos
apresentem custos geralmente mais elevados quando comparados aos de uma LAN tradicional, a
redução significativa dos custos de instalação promovida pelo uso de uma WLAN pode ser
compensatória (MOREIRA, 2009).
40
3.4.1.3 Redes Metropolitanas (MAN)
Uma "Metropolitan Area Network" é basicamente uma rede que abrange dimensões de
proporções de uma cidade. São usadas, geralmente, para interligar vários edifícios afins dispersos
(MOREIRA, 2009).
3.4.1.4 Rede de Área Alargada (WAN)
As redes de área alargada ("Wide Area Network") têm dimensões que abrangem países e
continentes. São, na realidade, constituídas por múltiplas redes do tipo LAN e MAN interligadas.
O exemplo mais divulgado é a internet, dada sua dimensão e popularidade cotidiana (MOREIRA,
2009).
3.4.2 Topologias
A topologia de uma rede define a forma como seus componentes são arranjados e conectados no
meio. Em redes industriais, destacam-se cinco tipos, a saber:
3.4.2.1 Barramento
Na topologia em barramento, existe uma via única a qual os outros dispositivos são diretamente
inseridos em paralelo, ou através de barramentos secundários conectados ao barramento
principal. Esta topologia constitui um dos grandes avanços advindos da modernização das
técnicas de comunicação digital, permitindo a comunicação de um grande número de dispositivos
através do mesmo par de fios (AS-INTERFACE, 2009).
41
O funcionamento da rede é assegurado mesmo que um ou mais dispositivos slave venham a
falhar. Além desta característica, apresenta menor distorção ao sinal transmitido, possibilitando,
assim, maior comprimento e velocidade das redes dispostas em barramento (FIGURA 3.10).
Figura 3.10 - Topologia em barramento
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2005b
3.4.2.2 Ponto-a-ponto ou Daisy Chain
Trata-se da ligação contínua e ininterrupta de equipamentos ao longo do campo. Para que se
estabeleça a topologia ponto-a-ponto é necessário que os equipamentos estejam ligados em série,
sendo necessária a redundância das conexões para evitar interrupções na linha de transmissão em
caso de falha ou alteração de equipamentos (AS-INTERFACE, 2009) (FIGURA 3.11).
42
Figura 3.11 - Topologia Ponto-a-ponto
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2005b
3.4.2.3 Estrela
A topologia estrela pode ser configurada mediante a utilização de dispositivos concentradores,
que centralizam a conexão e a divide entre diversos outros dispositivos conectados a um único
terminal, onde pode haver outro dispositivo concentrador (AS-INTERFACE, 2009) (FIGURA
3.12). É empregada, geralmente, quando visa-se re-instrumentar plantas antigas utilizando-se a
fiação pré-existente. As caixas de junção são inseridas ao fim do trunk, a partir do qual os novos
spurs e instrumentos são conectados. A fusão das topologias barramento e estrela podem gerar,
ainda, a topologia árvore, amplamente empregada em redes industriais.
43
Figura 3.12 - Topologia Estrela
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2005b
3.4.2.4 Anel
A topologia em anel é uma configuração que consiste de uma série de dispositivos conectados
uns anos outros por conexões de transmissão unidirecional em um loop fechado (AS-
INTERFACE, 2009) (FIGURA 3.13). Alguns padrões de meio físico, como o IEC 61158-2, não
suportam esse arranjo entre equipamentos, devendo-se, neste caso, utilizar dispositivos auxiliares
ou outra forma de topologia.
44
Figura 3.13 - topologia em anel
3.4.2.5 End-to-end
Esta topologia é utilizada quando da necessidade de conexão direta de apenas dois equipamentos
(AS-INTERFACE, 2009), conforme a ilustração a seguir (FIGURA 3.14)
Figura 3.14 - Topologia end-to-end
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2005b
45
3.4.3 Modos de transmissão dos dados
A existência ou não de sincronia entre o emissor e o receptor de dados em uma rede configuram
uma importante característica de uma plataforma de comunicação. Geralmente, dados
serializados não são enviados de maneira uniforme através de um canal, sendo pacotes de dados
enviados regularmente, seguidos de pausa. Assim, para a recepção correta da informação, esta
temporização deve ser conhecida, devendo-se saber o momento exato do início e fim da
transmissão de um pacote de dados, de modo que a leitura dos dados se dê de forma precisa e
eficiente (CANZIAN...2009).
Em sistemas ditos síncronos, os dados e as informações de tempo são transmitidos em canais
distintos. Assim, são transmitidos pulsos de clock para o receptor, que, quando os recebe, lê a
informação transmitida pelo canal de dados e só o torna a fazer quando da recepção de um novo
pulso (CANZIAN...2009).
O sinal de clock pode ser também transmitido no mesmo canal de dados, sendo esta técnica
bastante empregada em face às economias que apresenta. Duas destas técnicas comumente
utilizada pelos protocolos de comunicação são a Codificação Manchester e NRZ (Non-Return-to-
Zero).
Em modos de transmissão assíncronos são utilizados bits de identificação do início e do fim da
mensagem (start bit e stop bit). Assim, um único canal é necessário para a transmissão de
informações.
Uma segunda forma de caracterizar redes pela transmissão de dados é quanto ao sentido da
transferência de informações, podendo uma rede ser caracterizada como de transmissão simplex,
half-duplex e full-duplex (EMERICK, 2009).
O modo de transmissão simplex pode ser definido como um modo de transmissão unidirecional,
ou seja, um dispositivo apenas transmite e o outro apenas recebe. Podemos comparar esse modo
com uma estação de rádio FM. A informação (voz ou música) é modulada e enviada para as
estações receptoras, que decodificam a mensagem, mas não há uma maneira de enviar
46
informações da unidade receptora para a transmissora. É uma via de mão única (EMERICK,
2009).
Por half-duplex entende-se tratar do modo de transmissão bidirecional não simultâneo, ou seja,
um dispositivo dentro da rede pode transmitir e receber informações, mas em instantes distintos.
Ou seja, o dispositivo que estiver efetuando transmissão fica impossibilitado de receber dados ou,
se estiver recebendo dados, não poderá transmitir nenhuma informação (EMERICK, 2009). Este
é o modo de transmissão implementado por grande parte dos fieldbuses.
E, por fim, no modo full-duplex os dados podem ser transmitidos em ambas as direções e
simultaneamente. Um exemplo deste tipo de transmissão é a conversa pelo telefone, onde ambos
os comunicadores podem falar ao mesmo tempo, se assim desejarem.
3.4.4 Modos de acesso ao barramento
Os dispositivos integrantes de uma rede industrial podem apresentar diferentes formas de enviar e
interceptar informações, relacionadas à hierarquia do fluxo de dados. Este modelo classifica as
relações de comunicação em mestre-escravo, cliente-servidor, publisher-subscriber e souce-sink.
3.4.4.1 Relação Mestre-Escravo / Cliente-servidor
Na forma mais simples de comunicação, mestre-escravo, um dispositivo operando como uma
estação de servidor ou um PLC (controlador lógico programável) é o mestre, que envia pedidos
de leitura ou lança valores para outros dispositivos como instrumentos de campo, os quais são
chamados escravos. O escravo que foi então endereçado responde ao pedido. Um exemplo
prático de aplicação desta relação pode ser descrita como um PLC (mestre) que requisita uma
informação a um instrumento escravo e, em seguida, executa uma ação de controle, aplicando
uma saída a outro instrumento escravo, como um posicionador de válvula (FIGURA 3.15). Fica
47
impossibilitada, entretanto, a comunicação direta entre dispositivos escravos. Em redes sem
mestres e escravos específicos este relação é chamada cliente-servidor (BERGE, 2004).
.
Figura 3.15 - Relação cliente-servidor
Fonte: BERGE, 2004
3.4.4.2 Relação Publisher-subscriber
A relação Publisher-subscriber de comunicação, ideal para obtenção de ciclicidade de atualização
de dados, baseia-se em um dispositivo atuando como publisher (ou “publicante”) publica um
valor que é, então utilizado por todos os dispositivos interessados, os quais são chamados
subscribers (“recebedores”) (FIGURA 3.16). Trata-se de uma relação bastante eficiente, dada a
transmissão de um valor de um dispositivo de campo diretamente para outro, atingindo diversos
dispositivos recebedores de uma só vez. A comunicação entre dispositivos sem o emprego de um
dispositivo mestre central é chamado comunicação peer-to-peer (BERGE, 2004).
48
Figura 3.16 - Relação Publisher-subscriber
Fonte: BERGE, 2004
3.4.4.3 Relação Source-sink
O modo de comunicação source-sink é observado quando um dispositivo atuando como fonte (ou
source) transmite uma mensagem a um dispositivo agindo como carente (ou sink), sem que este
último tenha solicitado dado algum: enquanto um determinado estado permanecer inalterado, não
é estabelecida comunicação; a transmissão ocorre apenas quando da decorrência da alteração de
estado chamada, por vezes, reportado por exceção (reported by exception). Trata-se de uma
configuração ideal para ambientes onde operadores desejam que os dispositivos reportem alarmes
do processo ou ocorrência de erros e, do contrário, permaneçam em silêncio (BERGE, 2004)
(FIGURA 3.17).
49
Figura 3.17 - Relação source-sink
Fonte: BERGE, 2004
3.4.4.4 Token Ring
O barramento pode também ser acessado através da configuração em Token Ring, onde uma
autorização é trocada entre os componentes da rede definindo a prioridade de acesso ao meio.
Somente os dispositivos que possuem esta autorização (ou token) pode acessar o barramento.
Uma das vantagens observada neste modo de acesso é a possibilidade de se estabelecer
comunicação entre diversos dispositivos master. Em contrapartida, além da complexidade do
protocolo, a comunicação pode ser mais lenta quando comparada a outros meios, devido à
demora na rotação do token.
50
3.5 Meios físicos
O meio físico constitui, basicamente, o meio através do qual os dados do processo são
transferidos. São caracterizados como a plataforma física utilizada pelos protocolos completos.
De ampla abrangência, os meios físicos podem também serem descritos por padrões específicos
para montagem de condutores e níveis elétricos, como RS-232, RS-485, IEC 61158-2 e Ethernet.
De modo geral, utiliza-se o cabo coaxial, o cabo de par trançado, a fibra óptica e ondas
eletromagnéticas (Wi-Fi). A escolha do cabeamento define como os bits (para transmissão de
sinais digitais) são codificados e os dados, assim, transmitidos, devendo sua escolha ser
ponderada por parâmetros como extensão do barramento, velocidade de transmissão,
confiabilidade e resistência mecânica (LUDWIG, FAGUNDES, 2006).
3.5.1 Cabos coaxiais
Os cabos coaxiais eram utilizados em sistemas antigos de redes industriais, tendo seu uso entrado
em declínio já no início da década de noventa. Consiste em um fio de cobre envolvido por um
material isolante (FIGURA 3.18). O isolante é protegido por um condutor cilíndrico (uma malha
entrelaçada) que protege o condutor interno contra interferências externas. O condutor externo,
por sua vez, é coberto por uma camada plástica protetora. São capazes de transmitir a uma taxa
de, geralmente, 10 Mbps, sendo sua distância máxima utilizável (sem repetidores) de cerca de
185 metros (MARIMOTO, 2007).
51
Figura 3.18 - Cabo coaxial
Fonte: BATTISTI, 2009.
3.5.2 Cabos de par trançado
O cabo de par trançado constitui-se talvez no meio de transmissão mais antigo e ainda mais
utilizado (devido ao baixo custo e ao bom desempenho obtido). As aplicações mais conhecidas
do par-trançado são o sistema telefônico e, hoje em dia, quase totalidade das redes ethernet.
Industrialmente, está presente em grande parte dos cabos das redes e sua utilização é difundida
por se tratar de uma tecnologia tradicional e que, em muitas das vezes, já está instalada nas linhas
de transmissão, sendo necessárias poucas adaptações quando da necessidade de mudanças nos
sistemas de comunicação.
O par-trançado consiste em fios de cobre encapados, que tem, em geral, cerca de 1mm de
espessura. Os fios deste cabo são divididos em pares e trançados a 90º entre si, com o intuito de
reduzir interferências do meio (FIGURA 3.19).
A taxa de giro (normalmente definida em termos de giros por metro) é parte da especificação de
cada tipo de cabo. Quanto maior o número de giros, maior o cancelamento de ruídos. Com eles
pode-se velocidades de transmissão da ordem 1 Gbps (LUDWIG, FAGUNDES, 2006).
Os cabos de par trançado podem ser envolvidos por uma malha metálica, que atua como
blindagem eletromagnética. Neste caso, são chamados Shielded Twisted Pair – STP ou Par
52
Trançado Blindado, e quando não apresentam blindagem são conhecidos como Unshielded
Twisted Pair - UTP ou Par Trançado sem Blindagem.
Figura 3.19 - Cabo par trançado
Fonte: BATTITSTI, 2009.
3.5.3 Fibras ópticas
A fibra óptica é um filamento cilíndrico, feito de vidro ou plástico, de espessura aproximada da
de um fio de cabelo, com capacidade de transmitir luz (FIGURA 3.20). A luz aplicada a uma das
extremidades percorre a fibra, transmitindo informações, até sair pela outra extremidade. Com a
atual tecnologia, a velocidade de transmissão pode ultrapassar a casa dos 50 Tbps. No entanto, o
limite prático atual é de 10 Tbps.
Seus benefícios são múltiplos, como a alta velocidade de transmissão, a imunidade a
interferências eletromagnéticas, a capacidade de transportar grandes quantidades de informação e
baixa atenuação de sinal quando respeitadas suas limitações quanto a dobras e curvas, podendo
atingir até mesmo centenas de quilômetros. Entretanto, seus custos, ainda elevados, dificultam a
extensão de sua aplicação (LUDWIG, FAGUNDES, 2006).
53
Figura 3.20 - Cabo de fibra óptica
Fonte: BATTISTI, 2009.
3.5.4 Wi-Fi – Wireless Fidelity (Fidelidade sem Fios)
Trata-se de um novo conceito em meios de transmissão para redes industriais, com transmissão
de dados baseada em radiofrequência, dispensando a utilização de fios (FIGURA 3.21). Possui
extensa aplicabilidade e constitui-se em uma excelente alternativa à eliminação de cabos e
simplificação dos sistemas de comunicação, sendo, assim, uma possibilidade de redução de
custos de instalação de dispositivos em uma rede. Os equipamentos destinados ao meio industrial
costumam cobrir distâncias de até 4 km, operando a uma freqüência de trabalho de 2.4 GHz.
Entretanto, alguns inconvenientes tornam seu uso inviável em algumas aplicações. Os sistemas
de transmissão wireless são bastante susceptíveis a ruídos e interferências do meio, e sua
alocação em torres elevadas e locais de difícil acesso faz necessária alimentação elétrica por fios,
uma vez que a reposição de baterias pode ser difícil de ser realizada, por vezes (BANNER
ENGINEERING CORPORATION, 2009).
54
Figura 3.21 - Sistema wireless
Fonte: BANNER ENGINEERING CORP, 2009.
3.6 Padrões de níveis físicos
3.6.1 O padrão RS-232
Por RS-232 entende-se tratar de um padrão de nível físico para comunicação voltado à
transmissão serial de dados. A sigla RS significa Recommended Standard (padrão recomendado).
Foi criado no início dos anos 60, tendo, na década de noventa, sua nomenclatura substituída por
EIA-232. A nomeação antiga do padrão, porém, ainda é a mais utilizada na prática.
O RS-232 define como devem ser realizadas as ligações físicas entre dispositivos, os níveis de
tensão utilizados, as temporizações e funções dos sinais, determinando um conjunto de conceitos
55
para ligações elétricas e regras para transmissão. Tipicamente, o padrão é utilizado para a
comunicação end-to-end entre dois dispositivos.
Por ser um padrão assíncrono, é responsabilidade do transmissor e do receptor efetuarem
controles de tempo para saber o instante no qual cada bit é inicializado e finalizado. Na interface
RS232 o nível lógico "1" corresponde à uma tensão entre -3V e -12V e o nível lógico "0" à uma
tensão entre 3V e 12V (FILHO, 2008).
A taxa de transferência ou baud rate (velocidade com que os dados são enviados através de um
canal) é medida em transições elétricas por segundo. A norma EIA 232 especifica uma taxa
máxima de transferência de dados de 20.000 bits por segundo (o limite usual é de 19200 bps).
Baud rates fixos não são fornecidos pela norma. Contudo, os valores comumente usados são 300,
1200, 2400, 4800, 9600 e 19200 bps (CANZIAN, 2009):.
Os conectores para RS-232 são conhecidos como DB 25 e DB 9, podendo ser visualizados a
seguir (FIGURA 3.22):
56
Figura 3.22 - Conectores DB 25 (25 pinos) e DB 9 (9 pinos)
Fonte: FILHO, 2008.
3.6.2 O Padrão RS-485
O padrão RS-485 foi uma das primeiras plataformas de comunicação serial desenvolvidas para
comunicação multiponto, alternativamente ao RS-232. Trata-se de uma forma robusta de
transmissão de dados, sendo amplamente utilizada em controle de sistemas, com taxas de
transmissão que podem chegar a até 10 Mbps, para distâncias de transmissão de até 12 metros, e
100 Kbpps, para distâncias da ordem de 1200 metros. É possibilitada a montagem de um sistema
em rede de comunicação serial a dois fios, para operação em modo half-duplex, ou a 4 fios, para
operação em modo full-duplex (EMERICK, 2009).
A norma EIA-485 não especifica conectores, cabos e pinagem, mas determina padrões elétricos
para a troca de dados, com tensões de -7 V a +15 V. Os dispositivos possuem apenas quatro ou
57
dois terminais e algumas vezes um terceiro terminal para um fio terra, podendo ser usados
conectores DB-9 ou bornes com parafusos.
A norma permite a montagem de uma rede de comunicação sobre dois fios, habilitando uma
comunicação serial de dados confiável e robusta com até 32 nós em uma mesma linha de
transmissão. Porém, utilizando-se dispositivos de menor consumo e repetidores, é possível
utilizar até 256 nós em uma rede. É válido salientar, também, a necessidade do uso de
terminadores de barramento de 120 Ohms em redes RS-485.
3.6.3 O padrão IEC 61158-2
Trata-se de um padrão que especifica a configuração do nível físico para equipamentos fieldbus,
possibilitando aplicações com alimentação de dispositivos através do barramento e aplicações em
áreas classificadas (potencialmente explosivas).
O padrão foi desenvolvido de forma a tornar simplificadas as operações de upgrade em redes
industriais antigas, onde cabos de redes pré-existentes tornam-se aptos a receber instalação
fieldbus, possibilitando a migração de tecnologias com economia.
O uso de redes baseadas na norma IEC 61158-2 em atmosferas potencialmente explosivas tem
opções e limites definidos pelo modelo alemão conhecido como FISCO (Fieldbus Intrinsically
Safe Concept – Conceito de Fieldbus Intrinsecamente Seguro). A norma é aplicada com
restrições à voltagem de operação dos dispositivos, que devem utilizar entre 9 e 32 VDC em seu
funcionamento. Para se operar uma rede Profibus em área classificada é necessário que todos os
componentes utilizados na área sejam aprovados e certificados de acordo com o modelo FISCO e
IEC 61158-2 por organismos certificadores autorizadas tais como PTB, BVS (Alemanha), UL,
FM (EUA). Se todos os componentes utilizados forem certificados e se as regras para seleção da
fonte de alimentação, comprimento de cabo e terminadores forem observadas, então nenhum tipo
de aprovação adicional do sistema será requerida para o comissionamento das redes
(ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL, 2000). O modelo FISCO possui os seguintes princípios:
58
a) cada
segmento possui somente uma fonte de energia, a fonte de alimentação;
b) a alimentação não é fornecida ao barramento enquanto uma estação está
enviando informações;
c) os dispositivos de campo consomem uma corrente básica constante quando em
estado de repouso;
d) os dispositivos de campo agem como consumidores passivos de corrente
(sink);
e) uma terminação passiva de linha é necessária, em ambos fins da linha principal
do barramento;
f) topologia linear, árvore e estrela são permitidas. (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS
BRASIL, 2000).
Foundation Fieldbus e Profibus PA possuem seus níveis físicos baseados na norma IEC 61158-2
e, apesar de possuírem características elétricas idênticas, não devem ser interligados e misturados
em um mesmo meio físico. Suas especificações apresentam terminologias diferentes e o
comissionamento de cada um dos protocolos é realizado de forma também distinta. As
características básicas do meio físico podem ser observadas na tabela 3.3:
Tabela 3.3 - Características da IEC 61158-2
Transmissão de Dados Digital, sincronizado a bit, código Manchester Taxa de Transmissão 31.25 Kbit/s, modo tensão Segurança de Dados Pre-amble, error-proof start e end limiter
Cabos Par trançado blindado Alimentação Remota Opcional via linha de dados
Proteção à Explosão Segurança Intrínseca (Eex ia/ib) e encapsulação (Eex
d/m/p/q) Topologia Linha ou árvore, ou combinadas.
Número de Estações Até 32 estações por segmento, máximo de 126
59
Repetidores Até 4 repetidores
3.6.4 O Padrão Ethernet
Trata-se do padrão de comunicação mais conhecido e popularizado na atualidade. Diversas
plataformas de comunicação são baseadas em Ethernet, desde a internet residencial até a
comunicação em alta velocidade de servidores industriais (FIGURA 3.23).
A Ethernet implementa padrões elétricos para o nível físico dos diversos protocolos que a
utilizam, como, por exemplo, Foundation Fieldbus HSE (High Speed Ethernet), Ethernet/IP
(Industrial Protocol) e ProfiNET (Profibus com tecnologia Ethernet), constituindo-se como um
dos meios físicos mais simples e com boa relação custo x benefício. É caracterizada pela alta
velocidade na transmissão de dados, possibilitando taxas de 10 a 100 Mbps, podendo, ainda,
operar velocidades ainda maiores, de até 1 Gbps (IEEE802.3z ou Gigabit Ethernet) (FILHO,
2009b).
60
Figura 3.23 - Cabos de par trançado para Ethernet com conectores RJ-45
Apesar das diversas vantagens observadas, o uso do padrão Ethernet implica em limitações como
a restrição à alimentação pelo canal de dados, baixo sincronismo em nível de milissegundos e
dificuldade de emprego em aplicações que requerem segurança intrínseca. Pesquisas recentes,
porém, já apresentaram soluções para algumas aplicações. Por outro lado, a grande maioria dos
dispositivos ainda não operam com o padrão Ethernet diretamente, tornando os fieldbuses a
opção ainda mais escolhida. A Ethernet, desta forma, é um padrão utilizado extensamente em
aplicações nos níveis de servidor em uma planta, porém com restrições para aplicações a nível de
dispositivos de campo (FIGURA 3.24).
61
Figura 3.24 - Faixa de Aplicação de redes Ethernet
FONTE: FILHO, 2009b
O determinismo, condição que possibilita a previsão exata das transmissões e garante que a
chegada dos dados se dê sempre em instantes conhecidos, é também comprometido pelo padrão,
devido ao fato de sua transmissão ser baseada em mecanismos que fazem com que a resposta da
rede varie de forma não-linear em função do tráfego de informações (CSMA/CD). Esta
dificuldade pode ser superada, em alguns casos, por intermédio do uso de hubs inteligentes e
cabos que possibilitem a transmissão full-duplex, reduzindo a probabilidade de colisões e
tornando a rede determinística (FILHO, 2009b).
A Ethernet, embora seja um padrão comumente encontrado em residências, apresenta
substanciais diferenças quando comparada a aplicações industriais, como ilustra a tabela 3.4:
Tabela 3.4 - Ethernet comercial x industrial
62
Itens Ethernet
Comercial / residencial
Ethernet industrial
Temp. de Operação 5ºC a 40ºC 0ºC a 60ºC Placa Multi Layer para imunid. a
ruídos Não Sim
Conectores RJ-45 Parafuso, DB9, RJ-45 e Fibra
Óptica Redundância Não Sim
Encapsulamento industrial Não Sim Compatibilidade até 10 anos Não Sim
A tabela a seguir apresenta os tipos de cabos relacionados às velocidades de transmissão e
distâncias máximas admitidas em redes Ethernet (TABELA 3.5):
Tabela 3.5 - Cabos, velocidades e distâncias máximas admitidas em plataformas Ethernet
Tipo de Cabo Velocidade Distância Máxima
Cabo Coaxial Grosso-10BASE5 10 Mbps 500 m Cabo Coaxial Fino -10BASE2 10 Mbps 185 m
Par Trançado -10BASE-T 10 Mbps 100 m Par Trançado –100BASE-TX 100 Mbps 100 m Par Trançado –1000BASE-X 1000 Mbps 100 m
Fibra Óptica –10BASE-FL 10 Mbps 2000 m Fibra Óptica –100BASE-FX 100 Mbps 2000 m Fibra Óptica –1000BASE-FX 1000 Mbps 500 m
3.7 Níveis hierárquicos
O conceito de redes industriais está associado à interoperabilidade e conexão de diversos
equipamentos a uma mesma plataforma de comunicação, podendo esta ser concebida de forma
63
direta e bidirecional dentre os mais diversos níveis hierárquicos ou seccionada e interligada por
meio de gateways, acopladores, conversores e linking devices.
Apesar da tendência à universalização dos padrões de comunicação, existem diversas plataformas
disponíveis, cuja escolha é determinada em acordo com as especificações da aplicação em
questão. Inicialmente, podemos dividir as redes industriais em níveis ou layers, a saber,
Information Layer (nível de informação), Control Layer (nível de controle) e Discrete Control
(nível de controle discreto). Cada um destes níveis é responsável pela conexão de diferentes tipos
de equipamentos com suas próprias características de informação (BAIO, 2008) (FIGURA 3.25).
Figura 3.25 - Arquitetura de redes industriais
Fonte: DA SILVA, CRUZ, ROSADO, 2006
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, sendo
implementado, geralmente, por softwares gerenciais. O padrão Ethernet operando com o
protocolo TCP/IP é o mais comumente utilizado neste nível (BERGE, 2004).
64
O nível intermediário, nível de controle da rede, é a rede central localizada na planta
incorporando PLCs, DCSc 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.
3.8 Tipos de equipamento
Redes industriais podem, ainda, ser classificadas pelo tipo de equipamento conectado a elas,
assim como pelos tipos de dados que são transmitidos, que podem ser bits, bytes ou blocos. Estas
características diferenciam as redes em sensorbuses, devicebuses e fielbuses (EMERICK, 2009).
As redes com dados em formato de bits transmitem sinais discretos contendo, em sua grande
maioria, simples condições ON/OFF. Já as redes com dados no formato de bytes podem conter
pacotes de informação discretos e/ou analógicos. E as redes com formato de bloco são capazes,
por fim, de transmitir pacotes de informação de tamanhos variáveis.
Desta forma, a distinção entre as três classificações de redes industriais de acordo com os
formatos de dados e os respectivos tipos de equipamentos que interligados é dada pela seguinte
classificação:
a) Redes sensorbus - dados no formato de bits
b) Redes devicebus - dados no formato de bytes
c) Redes fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens (FIGURA 3.26).
65
Figura 3.26 - Classificação das redes
Fonte: BAIO, 2008
3.8.1 Redes Sensorbus
As redes sensorbus conectam 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 possível.
Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop (SMAR
EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 1998).
3.8.2 Redes Devicebus
66
As redes devicebus preenchem o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e podem cobrir
distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede possuem mais pontos discretos,
alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a
transferência de blocos com menor prioridade comparados 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), Profibus PA, LONWorks e (SMAR
EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 1998).
3.8.3 Redes Fieldbus
As redes fieldbus interligam os equipamentos de I/O mais inteligentes e podem cobrir distâncias
maiores. Alguns equipamentos acoplados à rede podem possuir 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 DP e HART (SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 1998)
(FIGURA 3.27).
67
Figura 3.27 - Tipos de redes
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2008
3.9 O modelo de referência OSI
Em 1977, a ISO (International Organization for Standardization – Organização Internacional
para Padronizações) começava a reconhecer a necessidade especial e urgente do estabelecimento
de padrões para as redes heterogêneas de informática, e decidiram criar um novo subcomitê
(SC16) para interconexão de sistemas abertos, ou OSI (Open Systems Interconnection).
Com o desenvolvimento de redes de computadores distintas e heterogêneas, bem como o início
das pesquisas por desenvolvimento de plataformas de comunicação industrial, surgiram diversas
arquiteturas de redes, identificando um grande entrave à livre evolução dos sistemas de
comunicação. Assim, a ISO, através do SC16, desenvolveu um padrão aberto de comunicação, de
tal forma que todos os protocolos que seguissem o padrão estabelecido seriam aptos a estabelecer
68
comunicação. Este padrão é conhecido como Modelo de Referência OSI, e é utilizado por quase a
totalidade das plataformas de comunicação (EMERICK, 2009) (FIGURA 3.28).
O modelo de referência estrutura o padrão de comunicação entre equipamentos através de
camadas. Desta forma, a transmissão deve respeitar os sete níveis de comunicação estabelecidos
pelo modelo, de tal forma que os protocolos de comunicação estabelecidos devem implementar
funcionalidades para uma ou mais camadas, a saber, camada física, de enlace, de rede, de
transporte, de sessão de apresentação e de aplicação. Assim, cada camada pode utilizar funções
de sua camada e também da camada anterior, de forma a dividir as atribuições de cada uma e
constituir-se em uma eficiente alternativa à complexidade dos sistemas de comunicação
(PETERSON, DAVIE, 1999).
69
.
Figura 3.28 - O modelo OSI
Fonte: DAY; ZIMMERMANN, 1983.
As camadas são numeradas a partir da camada física, que recebe o número um, até a camada de
aplicação, que recebe o número sete. Os protocolos industriais, entretanto, não implementam,
necessariamente, funcionalidades nas sete camadas, fazendo-o geralmente nas camadas física, de
enlace, apresentação e aplicação. Os parâmetros adotados pelos protocolos para cada uma das
camadas é de domínio público, possibilitando, assim, o desenvolvimento livre de equipamentos
compatíveis.
70
O processo de comunicação é iniciado a partir da camada física, sendo a evolução das camadas
dada desde o nível que envolve o meio físico e parâmetros como fiação e transferência de bits
(camada física) até os níveis de inserção e recepção de dados (camada de aplicação).
3.9.1 Camada física (1)
A camada física é onde o processo de comunicação é iniciado. Nela, o sinal elétrico trago pela
fiação é convertido em bits. São tratados parâmetros como comprimento das fiações, taxas de
transferência de bits, características elétricas do meio de transmissão e padrão dos conectores.
Hubs e cabos são exemplos de dispositivos que atuam nesta camada.
Dispositivos de protocolos distintos podem ser conectados a um mesmo barramento (apesar de
não ser estabelecida comunicação efetiva entre os mesmos), desde que sua camada física seja
implementada de forma idêntica.
3.9.2 Camada de Enlace (2)
A camada de enlace está relacionada ao endereçamento das informações, onde são analisados os
endereços físicos dos dispositivos e operações com Switches são realizadas. Esta camada é
também responsável pela detecção de eventuais erros ocorridos na camada física. Assim, após a
conversão do sinal elétrico em bits, a camada de enlace, após a identificação do endereço físico
contido na mensagem, encaminha a informação para a camada de rede.
71
3.9.3 Camada de Rede (3)
A camada de rede decide através de dispositivos como roteadores qual deve ser o melhor
caminho que os dados recebidos da camada de enlace devem seguir, em redes onde existem mais
de um caminho de dados. Está relacionada, também, à conversão do endereço físico contido na
mensagem em endereço lógico.
3.9.4 Camada de transporte (4)
Esta camada é responsável pela qualidade da entrega das informações em seu devido destinatário.
Após as informações virem da camada 3 já endereçadas com os respectivos emitentes e
destinatários, os protocolos de transporte atuam nesta camada de forma e executar a entrega dos
dados com confiabilidade. Nesta camada, os pacotes de dados recebidos da camada de rede são
remontados e encaminhados à camada de sessão.
3.9.5 Camada de sessão (5)
Esta camada é responsável pela sincronização entre os servidores, onde é checada a possibilidade
de comunicação, já de posse de dados como o endereço lógico dos dispositivos envolvidos na
transmissão dos dados.
72
3.9.6 Camada de apresentação (6)
A camada de apresentação é responsável pelo interfaceamento da troca das informações. Nesta
camada, pode ser feita a formatação dos dados e a representação dos mesmos, de forma com que
duas redes distintas possam se comunicar. Os gateways e transceivers são exemplos de
dispositivos que atuam a este nível.
3.9.7 Camada de Aplicação (7)
Esta camada é responsável pela interface entre o protocolo de comunicação e o aplicativo ou
software que requisitou a informação. Por exemplo, ao solicitar a recepção de e-mails através do
aplicativo de e-mail, este entrará em contato com a camada de Aplicação do protocolo de rede
efetuando tal solicitação. Tudo nesta camada é direcionado aos aplicativos. Telnet e FTP são
exemplos de aplicativos de rede que existem inteiramente na camada de aplicação (PETERSON,
DAVIE, 1999).
As camadas de 1 a 3 são também conhecidas como camadas de nível físico, enquanto que as de 5
a 7 são chamadas camadas de nível de aplicação. A camada número 4, camada de transporte, é
responsável por estabelecer um ligação entre estes dois grupos. É válido lembrar, também, que as
atribuições, bem como o sequenciamento das operações das camadas no processo de
comunicação dependem do sentido no qual as informações estão trafegando, ou seja, se está
sendo tratado o processo de recepção ou de envio de dados. Acima, foram descritos os
procedimentos da recepção dos dados, ou seja, do barramento de comunicação até o dispositivo
destinatário.
73
4 PROTOCOLOS DE COMUNICAÇÃO
O conhecimento das diferentes plataformas de comunicação industrial constitui-se, talvez, no
ponto mais importante do estudo das redes industriais, dado o fato de que sua correta escolha
pode implicar em resultados decisivos para o sucesso de um projeto.
De acordo com a diferenciação dos níveis de redes industriais em sensorbus, devicebus e
fieldbus, é possibilitada análise inicial entre as plataformas disponíveis e a aplicação necessária,
sendo este um dos primeiros parâmetros e ser observado para se efetuar a escolha por um
protocolo. Em seguida, são analisadas as peculiaridades de cada uma das plataformas disponíveis
à categoria de aplicação e analisa-se a relação custo x benefício que cada protocolo proporciona.
Sob este contexto, são analisados os principais protocolos direcionados a cada uma das categorias
de aplicação em uma planta, os quais podem ser encontrados na maioria dos ambientes de
comunicação industrial. São eles Modbus, AS-i, DeviceNet, Profibus, HART e Foundation
Fieldbus.
4.1 Modbus
O Modbus é um protocolo de comunicação desenvolvido na década de 70 pela Modicon
Industrial Automation Systems (Schneider Electric, atualmente). Trata-se de uma das primeiras
plataformas de comunicação que permitiu interligar estações de supervisão de controladores
programáveis em rede. É um protocolo aberto, de fácil operação e manutenção.
Trata-se de um protocolo de comunicação do tipo mestre-escravo, onde os escravos são,
usualmente, controladores programáveis e os mestres são sistemas supervisórios (FIGURA 5.1).
Como meio físico, o Modbus utiliza o RS-232, RS-485 ou Ethernet. Porém, para comunicação
entre microcontroladores, o padrão RS-485 é mais utilizado. É aplicado extensamente em
comunicação de servidores e controladores, sendo conferida a categoria de databus (barramento
de dados) ao Modbus. Apesar da maior aplicabilidade para os níveis de informação, alguns
instrumentos inteligentes podem, ainda, ser capazes de realizar comunicação por Modbus.
74
Figura 4.1 - Configuração Modbus
A imagem acima mostra um exemplo de rede Modbus com um mestre (PLC) e três escravos
(módulos de entradas e saídas, ou simplesmente E/S). Em cada ciclo de comunicação, o PLC lê e
escreve valores em cada um dos escravos. Como o sistema de controle de acesso é do tipo
mestre-escravo, nenhum dos módulos escravos inicia comunicação a não ser para responder às
solicitações do mestre. O protocolo para a aplicação descrita utliza preferencialmente o padrão
RS-485 para meio físico.
Em redes seriais, o Modbus pode apresentar as variações RTU, ASCII, Modbus/TCP e Modbus +
(Plus), a saber:
4.1.1 Modbus RTU - Terminal Unit (unidade terminal remota)
Os dados são transmitidos sobre a forma binária, com oito bits, sendo permitida a compactação
dos dados em pacotes menores. No modo RTU, os endereços e valores podem ser representados
em formato binário. Números inteiros variando entre -32768 e 32767 podem ser representados
por 2 bytes. O mesmo número precisaria de quatro caracteres ASCII para ser representado (em
hexadecimal) (FIELD SERVER TECHNOLOGIES, 2009).
75
4.1.2 Modbus ASCII
Neste modo, os dados são transmitidos sobre codificação em caracteres ASCII com sete bits. O
benefício de gerar mensagens legíveis, em contrapartida, faz com que maiores recursos da rede
sejam consumidos.
4.1.3 Modbus/TCP
No Modbus/TCP os dados são dispostos através do emprego do protocolo TCP (Transmission
Control Protocol –protocolo de controle de transmissão), possibilitando a utilização do padrão
Ethernet (IEEE 802.3) para transmissão de dados.
4.1.4 Modbus Plus
Trata-se da versão do protocolo Modbus possuidora de diversos recursos complementares de
diagnóstico, roteamento, consistência de dados e endereçamento, sendo mantida sob domínio da
Schneider Electric.
A tabela 5.1 apresenta um resumo sobre as principais características do Modbus:
76
Tabela 4.1- Protocolo Modbus
Características ModBus Nível hierárquico Databus
Tipo de sinal Digital Topologia Ponto-a-Ponto/Barramento / Multiponto Acesso ao
barramento Cliente-Servidor Baud rate 10Mbps
Comprim. Máx. 1200m Número de conexões 255
Diagnósticos Não Control loop Não
4.2 AS-interface
Mais conhecido como AS-i, este protocolo trabalha no nível de sensores e atuadores, sendo, desta
forma, classificado como sensorbus (FIGURA 5.2). É caracterizada, portanto, pela rápida
resposta no processo e pelo baixo volume de dados transmitido.
77
Figura 4.2 Rede AS-i
Fonte: AS-INTERFACE, 2009.
Trata-se de uma rede flexível quanto à topologia e bastante estável. Seu modo de comunicação
baseia-se no princípio mestre-escravo, sendo permitida a conexão de até 31 dispositivos escravos
por barramento. Esta quantidade pode, entretanto, ser ampliada, caso se faça uso de módulos de
entrada e saída (E/S) com até quatro canais como dispositivo escravo. Assim, possibilita-se a
utilização de até quatro sensores e quatro atuadores por dispositivo escravo, tornando possível a
conexão de 124 dispositivos de comunicação bidirecional e 248 dispositivos de sinal binário (AS-
INTERFACE, 2009). É, também, possível a conexão de dispositivos analógicos na rede, desde
que a transferência dos dados seja digital. São permitidos o uso de até 4 dispositivos analógicos
por escravo.
O barramento da rede AS-i pode ter comprimento máximo de 100 m quando não são utilizados
repetidores, e 500 m quando o são. Não são necessários terminadores de barramentos nos cabos,
sendo estes últimos caracterizados pelo formato achatado e a cor amarela a dois fios, utilizados
para a alimentação dos dispositivos a 24 VDC e para a comunicação de dados. O cabo preto,
igualmente achatado, pode ser utilizado como fonte auxiliar de energia, além da existência de
suplementação externa de alimentação para outros dispositivos de maior potência conectados à
rede (FIGURA 5.3).
78
Apesar da execução prioritária de transmissão de sinais binários, as redes AS-i permitem a
transmissão de sinais analógicos para alguns instrumentos. Sua interface é implementada nas
camadas 1, 2 e 7 do modelo OSI de referência. O tempo de varredura da rede máximo é de 5 ms.
Para a transmissão completa dos dados até o CLP (controlador lógico programável) o tempo
máximo é de 35ms (AS-INTERFACE, 2009).
Figura 4.3 - Cabeamento e logomarca das redes AS-i
Fonte: AS-INTERFACE, 2009
A partir da tabela 5.2 as principais características das redes AS-i podem ser observadas:
Tabela 4.2 - Redes AS-i
Características AS-i
Nível hierárquico SensorBus
Meio Físico Cabo não blindado com dois fios para dados e energia
(24 VDC / 8A) Tipo de sinal Digital
Topologia Árvore (barramento associado a estrela) Máx. disp. Escravos 31
Máx. pontos 124 bidirecionais e 248 sinais binários Acesso ao barramento Mestre-Escravo
Tempo de ciclo (31 5 ms
79
escravos) Bit rate 4 bits por escravo a cada mensagem
Taxa de transferência 167 kbps (bruta) e 53.3 kbps (líquida) Comprim. Máx. 100 m (até 300 m com repetidores)
Diagnósticos Sim Control loop Não
4.3 DeviceNet
O protocolo DeviceNet é caracterizado como uma devicebus ou barramento de dispositivos.
Trata-se de uma arquitetura simples, que pode interligar dispositivos como sensores, atuadores,
drivers de corrente e PLCs (FIGURA 5.4).
O protocolo foi criado a partir de uma tecnologia desenvolvida pela Allen-Bradley e foi
introduzida no mercado em março de 1994.
Visando ser um padrão não-proprietário, sua tecnologia foi transferida à ODVA (Open DeviceNet
Vendors Association) em abril de 1995, quando os produtos comerciais começaram a ser
oferecidos (SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2009).
80
Figura 4.4 - Cabeamento e logomarca das redes DeviceNet
Em redes DeviceNet é permitida a conexão de até 64 nós. O mecanismo de comunicação é peer-
to-peer com prioridade, sendo a transferência de dados executada, preferencialmente, segundo o
modelo source-sink (FILHO, 2009a).
A conexão com o servidor pode ser realizada de forma serial por RS-232, a partir de qualquer
ponto da rede. É permitida a interligação do moden à rede e a transmissão do sinal por linha
telefônica, até o host.
Alimentação e transmissão de dados podem coexistir no mesmo cabo, porém, em barramentos
distintos. A alimentação dos dispositivos DeviceNet é realizada, geralmente, a 24 VDC. O
barramento DeviceNet permite, ainda, a inserção e remoção de nós “a quente”, ou seja, sem
necessidade de desconexão da fonte de alimentação da rede.
Assim, para as taxas de comunicação de 125 kbps, 250 kbps e 500 kbps recomenda-se utilizar cabos
com comprimento máximo de 100 m, 250 m e 500 m respectivamente, quando utilizado o cabo do
tipo grosso. Utilizando-se cabo do tipo fino, recomenda-se manter o comprimento máximo em 100 m,
independentemente da velocidade. Na linha tronco, para que se garanta a operabilidade do meio
81
de transmissão, a distância máxima entre qualquer dispositivo em uma derivação ramificada não
pode ser maior que 6 metros (FILHO, 2009).
Outras especificações das Redes DeviceNet podem ser vistas na tabela 5.3:
Tabela 4.3 - Redes DeviceNet
Características DeviceNet Nível hierárquico DeviceBus
Tipo de sinal Digital Meio físico Par trançado Topologia Barramento Acesso ao
barramento Mestre-Escravo / Multimestre / Souce-Sink /Peer-
to-peer Baud rate 500-250-125 kBits/s
Comprim. Máx. 500 m (até 6000 m com repetidores) Número de conexões Até 64 nós
Diagnósticos Sim
4.4 HART
O padrão HART (Highway Addressable Remote Transducer) foi uma das alternativas viáveis
desenvolvidas aos antigos meios de transmissão analógicos, configurando um modo de
comunicação que possibilita a transmissão de sinais analógicos e digitais simultaneamente no
mesmo meio físico (FIGURA 5.5). Assim, a transmissão do sinal HART é modulada
obedecendo-se o padrão Bell 202 FSK (Frequency Shift Keying), sendo sobreposto ao sinal
analógico de 4 a 20 Ma (FIGURA 5.6). O sinal modulado AC é simétrico e não afeta o sinal
analógico DC. A freqüência do sinal HART é, geralmente, filtrada e ignorada pela maioria dos
dispositivos analógicos, possibilitando a coexistência de ambos em uma mesma linha de
transmissão. Dispositivos ditos inteligentes são capazes de operar com os dois sinais, analógico e
HART (FIGURA 5.7).
82
Figura 4.5 - O sinal HART
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2005a.
83
Figura 4.6 - FSK
FONTE: FILHO, 2009d
Em HART, para o bit 1 é empregado o sinal de corrente de 1 mA de freqüência 1200 Hz. O bit 0
é representado pela freqüência 2400 Hz, sendo a comunicação realizada de forma bidirecional.
Por intermédio do sinal, é possível transmitir parâmetros para o instrumento, dados de
configuração do dispositivo, dados de calibração e diagnóstico (FILHO, 2009d).
O protocolo HART admite as topologias ponto-a-ponto e multidrop. Para o modo multidrop, o
tempo do ciclo de leitura dos dispositivos é da ordem de 7.5 a 15 segundos para se obter os
valores gerados por 15 transmissores conectados, tornando-se inadequadas para a maioria dos
loops de controle existentes em uma planta. E, ainda, a presença do sinal analógico 4-20 mA
torna difícil a transmissão de sinal de dispositivos distintos no mesmo barramento de
comunicação.
A topologia multidrop, por outro lado, é utilizada quando da transmissão exclusiva de sinais
HART em uma rede, sendo a saída para o sinal analógico configurada em 4 mA fixos nos
dispositivos HART. A seleção do modo da saída a ser transmitida pode ser facilmente
configurada através do polling address, parâmetro que pode ser facilmente ajustável nos
dispositivos presentes na rede. Assim, quando a topologia ponto-a-ponto é utilizada, o polling
address é ajustado para o valor 0, tornando a saída analógica 4-20 mA ativa nos dispositivos.
Caso seja empregada a topologia multidrop, o polling address, servirá como endereço para os
dispositivos HART conectados, sendo configurável com valores entre 1 e 15, diferentes entre si,
para cada nó. A saída analógica é, consequentemente, inativada e constante em 4-20 mA.
84
Figura 4.7 - Exemplo de aplicação inteligente utilizando HART®
Fonte: SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 2005ª.
Tabela 4.4 - Protocolo HARTTT
Características HART Nível hierárquico Fieldbus
Tipo de sinal Digital + 4-20 mA Topologia Ponto-a-ponto, multidrop Acesso ao
barramento Cliente-servidor Baud rate 1.200 bps
Comprim. Máx. 3.000 m Número de conexões 15 (modo multidrop)
Diagnósticos Sim Control loop Não
85
4.5 Profibus
O Profibus é um sistema de comunicação de alta performance, robusto e aberto, que garante uma
comunicação confiável e flexível nos diversos níveis de uma planta. É caracterizado por ser uma
rede fieldbus que pode ser implementada com ampla funcionalidade no nível de campo e no nível
de servidores, dividindo-se, assim, em redes Profibus DP (Periferia descentralizada) e redes
Profibus PA (Automação de Processos) (FIGURA 5.8). Existe, ainda, o Profibus FMS, utilizado
para aplicações mais complexas de conexão entre PLCs e DCSs, e o PROFInet, empregado
quando da necessidade de interligação de segmentos PROFIBUS à plataforma Ethernet, que pode
ser utilizado para comunicação com níveis corporativos e gerenciais.
Figura 4.8 - Logomarca do protocolo Profibus
Fonte: ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL, 2000
O nome foi gerado a partir da fusão dos termos Process e Fieldbus (processo e barramento de
campo). Trata-se de um protocolo aberto, a partir do qual fabricantes de equipamentos voltados
para automação industrial podem desenvolver dispositivos para aplicações diversas. A
organização que desenvolve a tecnologia Profibus é chamada PI (Profibus International).
Os meios físicos variam por aplicação da rede Profibus. Basicamente, para as redes Profibus DP
utilizam-se o padrão RS-485 a 2 fios, com taxas de transmissão entre 9.6 kbits/s e 12 Mbits/s, e a
fibra óptica, utilizada em aplicações que demandam grandes distâncias e imunidade a
interferências. Para redes Profibus PA, utilza-se o padrão IEC 61158-2.
86
O acesso ao meio é dado pela relação mestre-escravo entre as estações ativas e passivas. Entre a
comunicação entre mestres é definida pelo método da passagem do token, implementada para
dispositivos como PCs e PLCs (FIGURA 5.9).
Figura 4.9 - Comunicação Profibus
Fonte: (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL, 2000).
4.5.1 Profibus PA (automação de processos)
O Profibus PA pode ser definido como a aplicação do protocolo Profibus em automação de
processos e interligação de transmissores, válvulas e outros dispositivos inteligentes,
implementando a segurança intrínseca na transferência de energia e dados em um mesmo cabo.
O meio físico é definido pelo padrão IEC 61158-2, com taxas de transmissão de 31,25 kbits/s.
87
O barramento principal pode atingir até 1,9 km sem o uso de repetidores. Com 4 repetidores,
pode-se obter até 9,5 km de comprimento. Em aplicações que não requerem segurança intrínseca
e que utilizem alimentação externa de dispositivos, podem-se conectar até 32 dispositivos em um
barramento e 9 dispositivos para aplicações em áreas classificadas. A fonte de alimentação pode
fornecer de 9 a 32 V e, para aplicações que requerem segurança intrínseca, devem estar
localizadas fora da área classificada.
Podem ser empregadas as topologias ponto-a-ponto, barramento e estrela. Na prática, entretanto,
são utilizadas topologias mistas. Seja qual for a configuração das redes Profibus, é possível
remoção e inserção de dispositivos a quente, mesmo em áreas classificadas.
As redes são baseadas em blocos de informação, uma importante implementação que assegura a
facilidade em se obter os benefícios das técnicas de gerenciamento de ativos modernos, sendo
oferecidas ao usuário informações como parâmetros de configuração, diagnósticos e funções de
dispositivos, além da representação de entradas ou saídas analógicas (SIEMENS AG, 2000). A
tabela 5.5 apresenta as especificações para redes Profibus PA:
Tabela 4.5 - Redes Profibus PA
Características Profibus PA Nível hierárquico Devicebus / Fieldbus
Tipo de sinal Digital, Código Manchester Topologia Linha / Estrela / Ponto-a-ponto Acesso ao
barramento Mestre-Escravo / Peer-to-peer Baud rate 31,25 kbps
Comprim. Máx. 1900 m (expansível a até 10km com 4
repetidores) Número de conexões Até 32 estações por segment, total máx. de 126
Diagnósticos Sim Control loop Não
4.5.2 Blocos Funcionais
O perfil PA suporta a intercambiabilidade e a interoperabilidade de dispositivos de campo PA de
diferentes fabricantes, usando o internacionalmente reconhecido modelo de blocos funcionais que
88
descrevem parâmetros e funções do dispositivo. Os blocos de função representam diferentes
funções do usuário, tais como entrada analógica ou saída analógica. Além dos blocos de função
de aplicação específica, dois blocos de função são disponibilizados para características
específicas do dispositivo (Physical Block ou Bloco Físico e Transducer Block ou Bloco de
Transdutor). Os parâmetros de entrada e saída dos blocos de função podem ser conectados via
barramento e ligados às aplicações de controle de processo (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS
BRASIL, 2000). Estes blocos são descritos a seguir:
a) Bloco Físico (Physical Block): contém informações gerais do dispositivo,
tais como: nome, fabricante, versão e número de série do dispositivo;
b) Bloco Transdutor (Transducer Block): contém dados específicos do
dispositivo, como parâmetros de correção;
c) Bloco de Entrada Analógica (Analog Input Block) – AI: fornece o valor
medido pelo sensor, com estado (status) e escala (scaling);
d) Bloco de Saída Analógica (Analog Output Block) – AO: fornece o valor de
saída analógica especificada pelo sistema de controle;
e) Bloco de Entrada Digital (Digital Input Block) – DI: fornece ao sistema de
controle o valor da entrada digital;
f) Bloco de Saída Digital (Digital Output Block) – DO: fornece a saída digital
com o valor especificado pelo sistema de controle (ASSOCIAÇÃO
PROFIBUS BRASIL, 2000).
4.5.3 Profibus DP (Periferia descentralizada)
89
O Profibus DP é um perfil de alta velocidade de comunicação, desenvolvido para interligação
entre os dispositivos mestres em redes Profibus (PCs e PLCs, geralmente). A interligação entre as
redes Profibus DP (masters) e Profibus PA (slaves) pode ser realizada através da utilização de
acopladores ou linking devices.
Como meio físico, podem ser empregados os meios RS-485 ou a fibra óptica. Para o primeiro,
pode-se aplicar a extensões de até 1,2 km, e, com a fibra óptica, até 15 km (ASSOCIAÇÃO
PROFIBUS BRASIL, 2000).
Um alto grau de flexibilidade é permitido ao Profibus DP através dos sistemas mono e multi-
mestre. É permitida a conexão de até 126 dispositivos a um mesmo barramento, mestres ou
escravos. A configuração é feita a partir da definição do número de estações, dos endereços das
mesmas e de seus I/Os, do formato dos dados de I/O, do formato das mensagens de diagnóstico e
os parâmetros de barramento. Os sistemas Profibus-DP podem conter três tipos de dispositivos
diferentes, que se organizam nas classes 1, 2 e DP Slave (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL,
2000) (FIGURA 5.10):
a) Classe-1 DP MASTER: são as estações mestres centrais, que trocam
informações com dispositivos escravos. São, geralmente, apresentados sobre a
forma de controladores programáveis e PCs (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS
BRASIL, 2000);
b) Classe-2 DP MASTER: são unidades intermediárias utilizadas, geralmente,
durante operações de comissionamento e configuração dos sistemas Profibus,
sendo representadas pelas estações de engenharia, painéis de operação ou
painéis de operação, dentre outros (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL,
2000);
c) DP SLAVE: trata-se dos dispositivos que coletam informações de entrada e
saída e as envia aos controladores. São representados pelos dispositivos de
90
E/S, IHMs, drivers, válvulas e outros (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL,
2000).
Figura 4.10 - Sistema mono-mestre
Fonte: ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL, 2000.
Em sistemas mono-mestre, apenas um dispositivo mestre é utilizado, sendo este, geralmente, um
PLC. Os dispositivos são a eles conectados por intermédio do barramento.
Em sistemas multi-mestre, diversas estações mestre podem ser conectadas ao barramento, com
seus respectivos dispositivos escravos. A leitura de valores de entrada e saída pode ser realizada
por qualquer estação mestre. Porém, a escrita e geração de saídas só pode ser realizada pelos
mestres específicos de cada dispositivo escravo (ASSOCIAÇÃO PROFIBUS BRASIL, 2000).
Um resumo das características das redes Profibus DP pode ser observado na tabela 5.6:
Tabela 4.6 - Redes Profibus DP
Características Profibus DP
91
Nível hierárquico Databus Tipo de sinal Digital
Topologia Linha / Estrela / Anel Acesso ao
barramento Mestre-Escravo / Peer-to-peer / Publisher -
subscriber Baud rate máx. 12 Mbps Comprim. máx. 1200 m
Diagnósticos sim
4.6 Foudation Fieldbus (FF)
Desenvolvido pela Fieldbus Foudation, o protocolo Foundation Fieldbus (a similaridade entre as
nomenclaturas conduz a frequentes erros de utilização dos termos) configura-se como uma forte
tendência em comunicação industrial devido às funcionalidades em controle de processos e em
gerenciamento de ativos que podem ser implementadas (FIGURA 5.11).
Trata-se de um protocolo completo, que pode prover funções para integração de equipamentos
através de suas duas subdivisões: a rede FF H1, de baixa velocidade (31,25 kbps), destinada à
interligação de instrumentos e atuadores, e a rede FF HSE, de alta velocidade (100 Mbps),
destinada à conexão de estações de trabalho, controladores e segmentos da rede FF H1.
Assim como no protocolo Profibus, o Foundation Fieldbus possibilita aplicações em áreas
classificadas e alimentação de dispositivos pelo próprio barramento de dados. O meio físico, para
as redes FF H1 é implementado pelo padrão IEC 61158-2, e para as redes FF HSE, pelo padrão
Ethernet.
Os dispositivos com habilitação para o protocolo Foundation Fieldbus são, geralmente,
inteligentes e microprocessados, e sua maior funcionalidade é expressa na possibilidade da
execução de loops de controle no campo. Assim, torna-se possível que dispositivos de campo
estabeleçam malhas de controle próprias, independentemente de controladores externos,
configurando uma alternativa aos DCSs: Os FCS (Field Control Systems ou Sistemas de Controle
de Campo) (FIELDBUS FOUNDATION, 2009).
92
Figura 4.11 - Logomarca da Fieldbus Foundation
Fonte: PHOENIX CONTACT, 2009.
Os benefícios obtidos com os Sistemas de Controle de Campo, ou FCSs podem ser observados à
medida que são reduzidos acentuadamente custos com controladores, paradas na produção (em
caso de falha em algum loop de controle, apenas uma pequena fração da planta é comprometida,
diferentemente do que ocorre quando da falha em um controlador central), dispositivos de
interface, racks, painéis, cabos e espaço.
Em uma rede FF é possível configurar até 8 loops de controle, dada a limitação prática de 16
instrumentos por rede. Entretanto, limitar uma rede a apenas 5 loops, sendo, no máximo, um
deles crítico, é uma boa prática de projeto, pois as conseqüências de eventuais falhas são
minimizadas.
Além da possibilidade de controle in loco, as redes FF, assim como a grande maioria dos
protocolos digitais de comunicação industrial, possibilitam o uso de recursos avançados de
gerenciamento de ativos, como calibração, configuração e diagnósticos de instrumentos. Os
dispositivos podem, também, ser reconhecidos automaticamente a partir de sua conexão à rede
(Plug and Play).
93
4.6.1 Foundation Fieldbus H1
As redes Foundation Fieldbus H1 são destinadas à interligação de dispositivos no nível de campo,
como sensores e atuadores, a baixa velocidade de transmissão (31,25 kbits/s).
A alimentação dos instrumentos conectados aos troncos e barramentos pode ser feita através do
mesmo cabo utilizado para transferência de dados (padronizados segundo a norma IEC 61158-2),
sendo esta característica, juntamente com as restrições advindas da utilização de segurança
intrínseca, um dos fatores de limitação do número de instrumentos possíveis de serem
conectados, a saber:
a) Alimentação pelo cabo de dados, segurança intrínseca: de 2 a 6 instrumentos;
b) Alimentação pelo cabo de dados, segurança não-intrínseca: de 2 a 12
instrumentos;
c) Alimentação externa, segurança não intrínseca: de 2 a 32 instrumentos.
(SMAR EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 1998)
Como descrito no capítulo 3, o comprimento da linha principal (trunk) pode chegar a até 1900 m
(somando-se os comprimentos dos spurs), onde podem ser utilizados até 4 repetidores. Para
aplicações que requerem segurança intrínseca, esta distância é reduzida a 1000 m, não devendo
os spurs exceder 30 m de comprimento.
O meio físico IEC 61158-2 possibilita a interligação de instrumentos operando de 9 a 32 V para
as redes H1. Para as redes FF HSE, pode-se utilizar o padrão Ethernet. Nas redes H1 são
utilizados dois fios, para comunicação e alimentação (no caso de barramentos alimentados).
Recomenda-se, também, o uso de terminadores passivos (sem necessidade de alimentação
externa) constituídos por um resistor de 100 Ohm juntamente a um capacitor de 1 µF (SMAR
EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 1998).
94
4.6.2 Blocos
Em redes FF os dados são transmitidos sobre a forma de blocos, os quais cobrem todas as
funções da rede. Deste modo, são encontrados três tipos diferentes de blocos, a saber:
a) Blocos de recurso, que contém informações específicas sobre os dispositivos;
Atuam, também, como interface entre I/Os físicos e os blocos de função;
b) Blocos de função, que são utilizados em estratégias de controle.
c) Blocos de transdutor, que servem para desacoplar os blocos de função das
tarefas de interface com o sensor de campo.
Através dos blocos de função, parâmetros especiais, como a configuração de malhas de controle
podem ser estabelecidos a partir dos próprios instrumentos de campo (FIGURA 5.12). Existem,
ainda, três modalidades de blocos de função: blocos de função básicas, blocos de funções
avançadas e blocos de funções flexíveis. Através deles, é possível estabelecer diferentes
estratégias de controle, como controle realimentado, em cascata, caracterização de sinais,
temporização e integração de alarmes avançados, controle de motores e interfaces para sensores
nos barramentos. Os blocos empregados em controle mais comumente utilizados e conhecidos
são os seguintes:
a) AI (Analog Input – Entrada Analógica);
b) AO (Analog Output – Saída analógica);
95
c) Controlador PID;
d) DI (Digital Input – Entrada Digital);
e) DO (Digital Output – Saída digital) (SMAR EQUIPAMENTOS
INDUSTRIAIS LTDA, 1998).
Figura 4.12 - Blocos de controle
Fonte: FILHO, 2009c
A estratégia de controle para redes Foundation Fieldbus consiste da seleção dos blocos funcionais
e linkagem dos mesmos, o que pode ser feito facilmente por intermédio de softwares auxiliares.
A linguagem de programação é basicamente gráfica, e não textual, como costuma-se utilizar em
outros controladores. Assim, equipamentos de diversos fabricantes são programados de forma
idêntica.
Tabela 4.7- Foundation Fieldbus H1
Características Foundation Fieldbus H1 Nível hierárquico Fieldbus
Tipo de sinal Digital (blocos), código Manchester Topologia Barramento / Estrela / Barramento / Daisy-Chain
96
Acesso ao barramento Cliente-Servidor, Source-sink
Taxa de transmissão 31,25 kbps
Comprim. Máx. 1900 m Número de conexões 255
Diagnósticos Sim Control loop Sim
4.6.3 Rede FF HSE (High Speed Ethernet)
As redes Foundation Fieldbus HSE tem como objetivo suprir as limitações impostas pelas redes
FF H1, cujo restrito número de dispositivos por barramento constitui-se em um obstáculo para a
comunicação de uma área extensa de uma planta (em geral, conectam-se de 5 a 7 dispositivos por
segmento de rede). Trata-se da aplicação de uma tendência em comunicação industrial,
constituída pelo uso do padrão Ethernet que pode atingir velocidades de até 100 Mbps (SMAR
EQUIPAMENTOS INDUSTRIAIS LTDA, 1998). A tabela 5.7 explicita as diferenças básicas
entre as redes FF H1 e FF HSE:
Deste modo, é proporcionada a interligação entre diversos segmentos H1, bem como a conexão
de PLCs, servidores e outros instrumentos que necessitem transmitir blocos de dados extensos.
Fica possibilitada, ainda, a configuração de malhas de controle entre instrumentos dispostos em
redes distintas (FIGURA 5.13). A interface entre as redes é realizada por intermédio de linking
devices específicos, que podem ainda, interconectar outras plataformas de comunicação e
interligar I/Os locais, permitindo a interligação de sinais discretos e configurando-se como uma
boa solução para aplicações de natureza híbrida (FILHO, 2009c). Os diversos níveis de hierarquia
são simplificados em apenas dois, conforme pode ser observado na ilustração:
97
Figura 4.13 - Integração das redes FF
Fonte: FILHO, 2009c
As principais características das redes FF H1 podem ser visualizadas na tabela 5.8:
Tabela 4.8- Comparação entre as funcionalidades das redes FF H1 e FF HSE
Caracterísitica FF H1 FF HSE Velocidade 31,25 kbps 100 Mbps
Distância máxima da rede 1900 m 100 m Dois fios Sim Não
Multidrop Sim Não Alimentação pelo
barramento Sim Não Segurança intrínseca Sim Não
Redundância do meio Não Sim Determinismo Sim Parcial
98
5 GERENCIAMENTO DE ATIVOS
Os custos envolvidos na manutenção de equipamentos podem representar valores significativos
no orçamento de uma indústria. É, cada vez mais, buscada a redução no tempo de paradas de
operação para manutenção, e equipamentos que permitem inserção e remoção a quente (sem
interrupção do processo) tem ganhado preferência na escolha para projetos, constituindo-se o
gerenciamento de ativos on-line em uma técnica certamente mais ágil e simplificada de
manutenção de plantas industriais quando comparada aos conceitos convencionais de correção
em equipamentos.
Gerenciamento de ativos pode ser definido como a manutenção de equipamentos de maneira a
oferecer máximo desempenho e com um mínimo custo a uma plana juntamente com o seu ciclo
de vida (CHAYA, 2008). Por ativo entende-se tratar de cada instrumento, válvula, equipamento
rotativo e dispositivos semelhantes presentes em uma empresa que necessite de monitoração e
manutenção. Para a aplicação desta técnica, três aspectos em um sistema de gerenciamento de
ativos devem ser observados:
a) Dispositivos de Campo inteligentes: são utilizados para se obter
informações de status de sua operação como também do processo;
b) Protocolo de Comunicação: deve-se empregar um protocolo de comunicação
que seja capaz de transmitir informação de qualquer fabricante de dispositivo
de campo;
c) Software On-line: trata-se de um software dedicado que fornece ferramentas
necessárias à análise e exibição de informações vindas de diversos dispositivos
de campo para ajudar a equipe de operação e manutenção (BAIO, 2008).
99
Os sistemas fieldbus disponibilizam ferramentas para gerenciamento de ativos que cobrem
pequenas áreas com baixo volume de informação, como estágios reduzidos de processos ou
plantas pilotos. Por isso, aliado às modernas tecnologias de comunicação industrial em rede, para
aplicações extensivas devem ser empregados softwares dedicados operando em modo stand-
alone, possivelmente em conjunto com sistemas supervisórios.
As modernas tecnologias de gerenciamento de ativos possibilitam a realização de calibrações on-
line, ajustes de range, características construtivas de dispositivos e estatísticas operacionais de
cada um deles. Adicionalmente, rotinas de auto-diagnóstico geram rotinas de verificação
automática e informam ao sistema se a informação fornecida por um dado dispositivo é confiável
ou não. A integração destas informações é amplamente facilitada pelas tecnologias fieldbus, à
medida que dados no formato de blocos, como utilizado em FF e Profibus (que fornecem
informações através de seus blocos de recursos e de transdutor) tornam possível a transferência
de informações complexas pela rede. Utilizando-se de fieldbuses, pode-se obter disponibilidade
de todas as informações dos ativos a partir dos servidores. Com técnicas obsoletas, estas
informações, além da configuração de parâmetros como range, deveriam ser colhidas
manualmente no próprio instrumento e com dispositivos auxiliares, muitas das vezes, próprios do
fabricante de cada equipamento.
A manutenção de uma planta pode ser realizada, basicamente, de quatro formas, a saber:
5.1 Manutenção Corretiva / Reativa
A manutenção corretiva/ reativa é realizada quando da detecção de falha em dispositivos. Pode
apresentar riscos maiores ao processo, por a planta pode não ser segura quando o dispositivo não
opera de forma correta.
Um dispositivo em falha pode causar paradas indesejadas na produção podendo, até mesmo,
reduzir a qualidade do produto final. O uso de fieldbuses pode ser útil neste tipo de manutenção,
pois possibilita correções mais velozes e eficazes e inserção/remoção a quente de dispositivos
(BERGE, 2004).
100
5.2 Manutenção Preventiva
É executada com paradas na planta produtiva, dada a necessidade ou não de manutenção nos
equipamentos. Não é muito eficiente, pois produz paradas produtivas que podem ser
desnecessárias e aumenta o tempo das mesmas. Ainda assim, o uso de fieldbuses pode reduzir
este tempo e melhorar as características do serviço, uma vez que são armazenados dados de
calibrações recentes ou intervenções para serviços no campo (BERGE, 2004).
5.3 Manutenção Preditiva
Também desempenhada periodicamente, necessitando ou não de manutenção nos equipamentos.
Entretanto, o intervalo de serviço é otimizado utilizando-se taxas de falha e estatísticas reunidas
de cada tipo de dispositivo, por longos períodos de funcionamento. Ainda há certo desperdício de
recursos, embora menor quando comparado aos esquemas de manutenção corretiva e preventiva.
O uso de fieldbuses pode ser útil à medida que a detecção de falhas é executada de forma mais
precisa quando da falha de dispositivos, aliada à detecção de desvios sobre padrões de
desempenho registrados pelo sistema (BERGE, 2004).
5.4 Manutenção Pró-ativa
O esquema de manutenção pró-ativa é voltado para os equipamentos que realmente necessitam de
intervenção, minimizando, entretanto, intervenções críticas no processo e priorizando-se a
correção de defeitos antes que os mesmos ocorram, possibilitando melhor programação para
execução destas atividades. Assim, são evitadas as ações em dispositivos que não necessitem de
correções.
As tecnologias fieldbus adicionalmente aos diagnósticos monitoram continuamente erros que
podem levar a falhas, como desgaste de componentes, fadigas, depreciação e exposição a
condições extremas de ambiente, além do número de operações já realizadas pelo dispositivo
101
cruzada com sua vida útil estimada. Assim, possibilita-se a previsão de falhas sem a necessidade
de coleta manual de dados e subseqüente inserção no sistema (BERGE, 2004).
5.5 DD (Device Description)
Para a interface com os dispositivos de campo, os softwares de gerenciamento de ativos utilizam-
se de drivers para possibilitar a obtenção de parâmetros advindos dos dispositivos. Trata-se de
um conjunto de informações técnicas singulares a cada instrumento, chamadas Device
Description (DD – descrição de dispositivo), as quais são fornecidas pelo próprio fabricante.
Desta forma, informações complexas que circulam através do barramento podem ser
simplificadas, trazendo benefícios diversos como, por exemplo, a troca de informações entre
vários dispositivos de uma dada rede sem a necessidade de instalação de um driver adicional para
tanto (BERGE, 2004)
O DD é formado a partir de um texto estruturado e é carregado na base de dados dos sistemas de
controle e dos softwares de Gerenciamento de ativos. A figura a seguir ilustra um exemplo de
como a informação é estruturada (FIGURA 4.1):
Figura 5.1 - Estrutura de um Device Description
Fonte: BAIO, 2008.
102
5.6 EDDL (Enhanced Device Description Language)
Os EDDLs (Linguagem de descrição de dispositivos aperfeiçoada) são uma evolução dos DDs,
como o objetivo de estender o conceito de interoperabilidade para a interface gráfica e para os
diagnósticos dos dispositivos. O layout da interface gráfica é determinado pelo fabricante do host.
Assim, o mesmo dispositivo poderá apresentar visualizações diferentes de acordo com o sistema
empregado, sendo, porém, a informação detalhada acerca de cada dispositivo detalhada e
fornecida pelo fabricante do mesmo (BAIO, 2008) (FIGURA 4.2).
Figura 5.2 - Tela de configuração e visualização de um EDDL
Fonte: HART COMMUNICATION FOUNDATION, 2009b.
103
5.7 FDT/DTM (Field Device tool / Device Type Manager)
Paralelamente aos EDDLs, surgiram os FDTs (ferramentas de dispositivos de campo) e os DTMs
(gerenciamento de tipos de dispositivos). São ambos uma tecnologia de software usada para
integrar dispositivos de campo ao sistema de controle, constituindo-se de três partes: Um DTM,
escrito pelo fabricante, um BTM (Block Type Manager – gerenciador de tipos de blocos), escrito
pelo fabricante do instrumento para blocos do FF (Foundation Fieldbus) e, por fim, um ambiente
de software, o FDT, que disponibiliza um conjunto de serviços de software que suportam a
comunicação com o dispositivo de campo (FIGURA 4.3). Este último não possui informações
acerca dos dispositivos, disponibilizando, apenas, serviços de interface com programas.
O DTM faz interface com o FDT para trocar todas as informações requeridas em relação ao
dispositivo de campo, sendo as operações do dispositivo executadas pelo DTM. O BTM, por sua
vez, é responsável pela interface com o FDT para trocar todas as informações requeridas em
relação aos blocos de informação, sendo todas as operações do bloco executadas pelo BTM.
Apesar da ampla gama de tecnologias envolvida em gerenciamento de ativos, não são todos os
sistemas que conseguem empregá-las. Portanto, devem-se observar as limitações e necessidades
do sistema que se pretende implantar.
104
Figura 5.3 - Tela de visualização e configuração de um DTM
Fonte: YOKOGAWA ELECTRIC CORPORATION, 2009.
5.8 Diagnósticos avançados
Os diagnósticos fornecidos ao sistema de controle pelos instrumentos inteligentes dividem-se em
duas categorias: diagnóstico interno da eletrônica do instrumento e diagnóstico interno do
software de Gerenciamento de Ativos. Desta forma, o sistema de diagnósticos, em geral, funciona
a partir do aprendizado por parte do software utilizado que detecta a decorrência de alguma
situação atípica (FIGURA 4.4). Como exemplo, pode-se citar o entupimento de uma das vias de
uma válvula, onde um ruído característico de uma válvula operando em condições normais é
registrado e comparado caso o sistema detecte alguma anormalidade em sua operação. O
entupimento da via causa uma sensível alteração do ruído proveniente da válvula, e este defeito é
105
prontamente detectado e informado às equipes de operação e manutenção para os procedimentos
cabíveis.
5.4 - Tela do software Fieldcare, dedicado a gerenciamento de ativos
Fonte: ENDRESS+HAUSER, 2009.
106
6 CONCLUSÃO
Ao longo do trabalho, foram explanados conceitos introdutórios e avançados acerca de
comunicação industrial. As redes fieldbus, em poucos anos, se configurarão como padrões para
comunicação e gerenciamento de dados em quase a totalidade das unidades produtivas de média
e larga escala, haja vista à crescente demanda por qualidade e redução de custos. Estes dois
aspectos, apesar de em alguns casos serem fatores cuja adoção de um resulta no detrimento do
outro, podem ser aliados lançando-se mão do emprego de sistemas de redes industriais.
Puderam ser verificadas as subdivisões e níveis hierárquicos de redes, bem como parâmetros
gerais de configuração. Foi possível, ainda, fornecer informações que podem ser tornar decisivas
no acerto da escolha pelo sistema de comunicação a ser empregado, o que pode reduzir
drasticamente os custos operacionais de uma planta. O emprego de redes Foundation Fieldbus
pode, em alguns casos, até mesmo eliminar a necessidade de controladores em uma unidade
produtiva.
Observa-se a busca constante pela interoperabilidade de equipamentos, os quais, agora, são
capazes de operar de forma eficiente independentemente do fabricante do sistema de
comunicação de padrão aberto ao qual será empregado. Esta tendência pode ser observada a
partir do emprego aberto do padrão OSI para os dispositivos de comunicação, tornando-se estes,
atualmente, grande parte dos equipamentos disponibilizados pelos mais diversos fabricantes que,
outrora, produziram dispositivos que trabalhavam apenas em sistemas de sua própria fabricação.
Foram mostrados, ainda, conceitos de manutenção e gerenciamento de ativos, que vem ganhando
bastante notoriedade e crescente procura por parte das empresas, dadas as possibilidades de
redução de custos com manutenção e substancial elevação de padrões produtivos. Estes
resultados podem ser otimizados utilizando-se, em sincronia, um sistema eficiente de
comunicação, instrumentos inteligentes e um sistema de gerenciamento de ativos.
De modo geral, sugere-se como continuidade para o trabalho um estudo aprofundado sobre o
padrão Ethernet e a comunicação Wireless. A Ethernet pode ser uma solução barata e eficiente
para interligação de todos os segmentos produtivos, configurando-se, talvez, como um padrão a
ser seguido no futuro à medida que suas limitações sejam superadas, o que não demandará muito
107
tempo. Sistemas wireless ainda apresentam, em contrapartida, uma séria de limitações que
restringem sua aplicação nos meios produtivos, tais como interferências eletromagnéticas e
distâncias reduzidas de alcance operacional. Entretanto, grandes somas de investimento têm sido
feitas de forma a se suprir estas e algumas outras falhas que este promissor sistema ainda
apresenta.
108
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