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6.2. Fieldbus


 

6.2.1. O Que é Fieldbus?
 

Para uma rede aplicada à interligação de elementos a nível de chão-de-fábrica (CLPs, válvulas, indicadores dedicados, sensores, transdutores, atuadores, etc) é utilizada a denominação genérica de "barramento de campo", ou Fieldbus.
  6.2.2. Vantagens 6.2.3. A História do Fieldbus  
 
6.2.4. WorldFIP 
 
     O World Factory Instrumentation Protocol (WorldFIP) foi desenvolvido a partir da norma francesa, a NFC 46-600. A proposta procurou levar em consideração as restrições de tempo real impostas por um grande número de aplicações a nível de chão-de-fábrica. 
     Para este fieldbus exitem circuitos integrados que inplentam as funções das 3 camadas (modelo ISO/OSI), o que facilita sua utilização. 
     Atualmente, o WorldFIP é um padrão europeu (EN50170 Parte 3) e utiliza o padrão da camada física IEC 1158-2, possuindo ainda um padrão de mensagem MMS da ISO. 
     O WorldFIP suporta topologia em barramento, e transmissões por fibra ótica e par-trançado (blindado ou não). Para o par-trançado estão padronizadas 3 velocidades de transmissão de dados: 
  • S1: 31,25 Kbps, distância de até 1900 m;
  • S2: 1 Mbps, distância de até 750 m, par-trançado blindado;
  • S3: 2,5 Mbps, distância de até 500 m, par-trançado blindado.
     A velocidade padrão é a S2. As velocidades S1 e S3 são utilizadas apenas para aplicações especiais. 
     Para uso em fibra ótica, a velocidade permitida é de 5 Mbps. 
     Os bits a serem enviados são codificados em Manchester, que permite o envio simultâneo do sinal de sincronização e dos dados propriamente ditos. 
     São suportadas até 256 estações e o barramento principal pode ser decomposto em segmentos, que por sua vez são interligados por repetidores (cada segmento pode ter até 32 estações). 

     A camada de enlace do WorldFIP não faz uma distinção formal entre as subcamadas LLC e MAC, como proposto na norma IEEE 802. 
     O método de acesso ao meio é baseado na difusão (broadcasting). A difusão é organizada por uma entidade centralizada denominada "árbitro do barramento". O WorldFIP baseou-se no fato de que, nas redes industriais, uma informação gerada em um determinado ponto pode interessar a várias outras estações (por exemplo, o dado gerado por um sensor de temperatura pode interessar ao controlador, ao atuador e ao terminal de vídeo do operador, simultaneamente). 
     A maioria dos dados transmitidos pelo barramento é representado por objetos (variáveis). Cada objeto é representado por um "nome" único no sistema. Um objeto é, por definição, elaborado por um único transmissor (produtor) e levado em conta por quaquer número de receptores (consumidores). Devido ao uso da difusão, os endereços de transmissores e receptores não precisam ser conhecidos pelas aplicações. 
     A comunicação transcorre da seguinte forma (figura 1): 

  • em uma primeira fase, o árbrito difunde na rede o nome da variável (objeto) a ser transmitida (quadro de identificação);
  • o produtor da variável difunde, em seguida, a informação ligada ao identificador (quadro de dados);
  • todos os consumidores interessados passam a copiá-la na fase final.
     Cada estação é completamente autônoma. O único requisito imposto às estações é o de difundir, por solicitação do árbrito de barramento, a variável ou variáveis por elas produzidas. Naturalmente, as estações devem também aceitar as variáveis que lhe são enviadas. A varredura das variáveis periódicas é feita a partir de uma lista implementada no árbitro na fase de inicialização e que, em geral, não é alterada posteriormente. 
 
Método de acesso ao meio utilizado pelo WorldFIP 
Figura 1. Método de acesso ao meio utilizado pelo WorldFIP (Produtor-Consumidor)
(a) Árbitro difunde identificador; (b) Produtor difunde dados pedidos.
 
 
6.2.5. Profibus 
 
   O Profibus (PROcess FIeld BUS), padrão fieldbus líder na Europa, é governado pelo volume 2 do padrão europeu EN50170 e pelas partes 1 a 4 do DIN 19245 (padrão alemão, sua origem). 
   O Profibus, segundo sua própria definição, especifica as características técnicas e funcionais de um sistema fieldbus serial no qual controladores digitais descentralizados podem ser interligados do nível de campo ao nível de célula. 
   Sua tecnologia é desenvolvida e administrada pela Profibus User Organization, cujos membros ao redor do mundo formam a Profibus International (PI). 
   A arquitetura do Profibus é orientada no modelo de referência ISO/OSI, sendo utilizadas apenas as camadas física, enlace e de aplicação. 
   O padrão possui uma família de 3 membros: Profibus-DP, Profibus-PA e Profibus-FMS. 
   Embora seja bem aceito na Europa, não possui a mesma popularidade nos Estados Unidos. 
 
 Profibus-DP  
 
   Utilizado principalmente para transferência rápida de dados cíclicos entre controladores centrais (PCs e CLPs) e dispositivos de I/O descentralizados e “inteligentes” (válvulas, drives, etc). 
    Permite topologia em barramento, 32 estações por segmento e um máximo de 127 estações (com repetidores). 
    O quadro abaixo ilustra as velocidades possíveis e as distâncias correspondentes: 
 
 
taxa (Kbps) 9,6 19,2 93,75 187,5 500 1500 12000
distância/segmento (m)  1200 1200 1200 1000 400 200 100
   O meio físico empregado pode ser o par-trançado blindado (RS-485) ou ainda a fibra ótica. 

   Esta última pode ser usada para aplicações em ambientes com alta interferência eletromagnética e para aumentar a distância máxima para altas velocidades de transmissão. 

Profibus-PA  

   Utilizado para conectar sistemas de automação e sistemas de controle de processo com os dispositivos “burros” de campo (tais como transmissores de pressão, temperatura e nível). É um substituto direto da tecnologia 4-20 mA. 
   Seu meio físico está de acordo com o IEC 1158-2, que permite a alimentação de dispositivos pelo próprio barramento. 
   Permite topologia em barramento ou árvore, utiliza par-trançado blindado ou não. 
   Emprega velocidade de 31,25 Kbps, com até 32 estações por segmento e um máximo de 127 estações (com repetidores). 

Profibus-FMS  

   Utilizado para comunicação a nível de célula. 
   Neste nível, os controladores programáveis (PCs e CLPs) comunicam-se apenas entre eles. 
   Por fugir da definição de fieldbus, não será detalhado neste trabalho. 
 
Acesso ao Meio  

   O protocolo usado é uma mistura de token-passing com o mestre-escravo. 
   Entre os dispositivos controladores (PCs e CLPs), um token fica circulando, criando um anel lógico. 
   E cada dispositivo controlador comanda os outros dispositivos (ditos passivos) através do método mestre-escravo. 
   A figura 6-2 ilustra este processo. 

Acesso ao meio do Profibus 
Figura 6-2. Acesso ao meio do Profibus 
 
 
 
6.2.6. SP50 

     A proposta da ISA, IEC e de outras "grandes" deverá ser o padrão mundial para o fieldbus. Mas por contar com membros de outras entidades, que já possuem produtos comerciais e querem que a versão final do padrão seja parecida com a sua proposta, ainda não conseguiu fechar todos os protocolos do SP50. 
     Como características chave, a proposta estabelece: 

  • barramento multiponto com facilidades de comunicação multicast;
  • capacidade de comunicação em situações críticas com relação ao tempo;
  • alta integridade dos dados e segurança em ambientes hostis;
  • variante de baixa potência para uso em ambientes inflamáveis e explosivos;
  • redundância para manuseio de causas comuns de falha (meio físico quebrado, estação mestre defeituosa, etc).
     O modelo suporta 3 meios de transmissão (camada física): 
  • par-trançado (blindado): com comunicação half duplex; clock embutido (codificação Manchester); 32 dispositivos por segmento; sinalização por corrente (31,25 Kbps para até 1900 m de fio, 1 Mbps para até 750 m e 2,5 Mbps para até 500 m) e por corrente (1 Mbps para até 750 m a 200 mA, 1 Mbps para até 400 m a 1 A);
  • ótico: fibra ótica para velocidades até 2,5 Mbps;
  • RF: half duplex com 4800 bps até 4000 m , 31,25 kbps e 1 Mbps.
     A camada de enlace oferece quatro classes de funções, a serem implementadas nas estações de acordo com as necessidades: 
  • funções de Responder: estação só transmite dados em resposta a uma solicitação (estação escrava);
  • funções de Initiator: estação pode se apoderar do direito de acesso ao meio (token), podendo enviar e requisitar dados a outras estações por iniciativa própria;
  • funções de Linkmaster: inclui as funções de Responder e Initiator, mas a estação pode exercer o papel de escalonador de enlace, administrando o token e gerenciando o tempo interno do sistema;
  • funções de Bridge: estação capaz de interligar entidades de enlace diferentes.
     Se há mais de uma estação com as funcionalidades de um Linkmaster no sistema, estas disputam entre si, na inicialização, o papel de escalonador de enlace (árbitro). A estação vencedora é chamada LAS (Link Active Scheduler). Existem, para isto, 3 tipos de token (figura 2): 
  • token de escalonamento: disputado na inicialização por todas as estações Linkmaster, define a estação LAS;
  • token circulado: distribuído pela estação LAS às demais estações com funcionalidade de Linkmaster, que formam um anel lógico conforme a norma IEEE 802.4;
  • token delegado: enviado pela estação LAS a uma estação qualquer por solicitação desta ou para atender às necessidades de um serviço de comunicação escalonado pela LAS.
Operação dos tokens no SP50
Figura 2. Operação dos tokens no SP50

     É o método de acesso ao meio denominado comando central ou multiplexação por divisão de tempo da resposta de comando. 

     Uma proposta inovadora no SP50 é a definição de uma camada do usuário, situada acima da camada de aplicação, destinada a aliviar o programador de detalhes de acesso ao sistema de comunicação e a oferecer serviços adequados a diversos tipos diferentes de aplicações.

 
6.2.7. Fieldbus Foundation 

 
   Como dito anteriormente, a Fieldbus Foundation é uma organização que surgiu em 1993 como um esforço dos maiores fornecedores de produtos fieldbus da época (WorldFIP e ISP) para se chegar num padrão único e interoperável. 
    É formado atualmente pelos maiores fabricantes, fornecedores e usuários finais de controle de processo e automação fabril, tendo sido apresentado, na sua versão completa de padrão, apenas no ano de 97. 
    A fase atual está na utilização do padrão em plantas industriais e químicas ao redor do mundo para testes e validações finais. 
   Por ser um profundo contribuidor ao padrão ISA/IEC SP50 é provável que a versão final do ISA/IEC tenha muito a ver com o padrão da Fieldbus Foundation. 
 
 Protocolo 
   O protocolo da Fieldbus Foundation, denominado de Foundation Fieldbus, especifica a utilização de 3 das 7 camadas do modelo de referência ISO/OSI (física, enlace e aplicação), mais a camada de usuário (também encontrado no modelo ISA/IEC SP50). 

 Camada Física 
 A Fieldbus Foundation baseia-se apenas na utilização de pares-trançados de cobre como meio físico, havendo divisão quanto a velocidade de comunicação: 
 

  • H2, denominado de higher-speed fieldbus, emprega 1 Mbps e 2,5 Mbps (para interligar equipamentos de usuário - PCs por exemplo - e os dispositivos mais rápidos do chão-de-fábrica);
  • H1, denominado de lower-speed fieldbus, emprega 31,25 Kbps (para interligar dispositivos mais lentos de chão-de-fábrica).
 
    O tamanho do cabo é função da qualidade do mesmo: 
 
Tipo 31,25 Kbps 1 MHz 2,5 MHz Comentários
"A" 1900 m 750 m 500 m apenas 1 par-trançado num cabo blindado 
"B" 1200 m múlitplos pares-trançados com uma blindagem externa 
"C" 400 m  um ou vários pares-trançados, mas sem blindagem
"D" 200 m múltiplos condutores sem ser par-trançado
 

   A versão de 31,25 Kbps pode operar nas mesmas instalações do padrão 4-20 mA, o que é útil para atualizações graduais de plantas industriais. 
   O padrão permite o uso de até 32 dispositivos conectados ao barramento, entretanto este número cai de acordo com o comprimento do cabo, se o mesmo fornece energia aos dispositivos junto com os dados, etc. 

Enlace de Dados 
   O acesso ao fieldbus é gerenciado por um escalonador de barramento centralizado e determinístico denominado de LAS, Link Active Scheduler (muito parecido com o da ISA/IEC SP50). 
   O padrão estabelece 2 tipos de dispositivos: Basic e LinkMaster. 
   O LinkMaster é o LAS, podendo controlar as comunicações no barramento; e o Basic são todos os outros dispositivos. 
   Durante a configuração do fieldbus, a estação LAS recebe uma lista de todos os dispositivos no barramento e qual dados devem ser disponibilizados por cada um e a que instante. 
   Quando chegar a hora de um determinado dispositivo fornecer os dados, o LAS diz ao mesmo para efetuar um broadcast dos dados no barramento. Aqueles dispositivos configurados para utilizar os dados irão recebê-los simultaneamente (conforme exemplo da figura 6-4). 

 Exemplo de acesso ao meio da Fieldbus Foundation
Figura 6-4.  Exemplo de método de acesso ao meio da Fieldbus Foundation

   Esta descrição cobre as mensagens escalonadas, no qual os dados são requisitados com intervalos regulares. 
   Para os outros tipos de mensagens, as não-escalonadas, tais como os pedidos eventuais de dados e alarmes, o LAS deve deixar espaços vagos no escalonamento para poder atender a esses pedidos. 
   LAS redundantes podem ser incluídos para garantir a operação contínua ainda com a ocorrência de uma eventual falha ou remoção do dispositivo escalonador. 

Camada de Aplicação 
   É de interesse principalmente de desenvolvedores. 
   Permite a comunicação entre dispositivos através de uma interface padronizada (por meio de nomes, índices e/ou endereços reunidos num dicionário de objetos). 

Camada de Usuário 
   Realiza o gerenciamento da rede (configuração do LAS, monitoramento), o gerenciamento do sistema (clock, endereços, etc.) e suporta a aplicação do usuário (blocos ou objetos que dão a funcionalidade da aplicação). 
   O Fieldbus Foundation tem a vantagem de utilizar um device description (DD) para cada dispositivo. Esta descrição serve como se fosse um driver, fornecendo todas as opções de atuação e comunicação do mesmo. Com isso, pode-se, numa mesma rede, substituir e misturar dispositivos de fabricantes diferentes mas de mesma funcionalidade, sem nenhum problema de comunicação e de forma transparente para o usuário (interoperabilidade). 
   Por ainda não possuir um laboratório para verificar a conformidade de produtos fabricados segundo a norma fieldbus foundation, poucos foram os fabricantes que se arriscaram e se arriscam a produzir protótipos desses dispositivos. 
 
 

 

6.2.8. Comentários
 
   O Fieldbus, embora venha com a promessa de ser muito mais do que o substituto de padrão 4-20 mA devido a uma série de vantagens e de permitir também a utilização de dispositivos “inteligentes” no chão-de-fábrica, sofre com a falta de um padrão único mundial.
   Como pudemos ver, nos “padrões fieldbus” que foram apresentados aqui, existem mais diferenças do que pontos comuns entre as propostas. E é bem provável que um bom tempo ainda se leve até que um padrão de fato seja obtido.
   E isto é uma coisa que afeta também as plantas industriais, pois a permutação de dispositivos de fabricantes diferentes mas com mesma funcionalidade fica comprometida por essa “torre de babel”. O que diminui o leque de produtos de empresas que podem ser interoperáveis.
 
 
 

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