Estudo das redes Profibus DP e FF

Promoção:
ESTUDO DA PERFORMANCE DOS PROTOCOLOS
PROFIBUS-DP E FOUNDATION FIELDBUS APLICADOS A
SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO INDUSTRIAL
GRUPO:
A
B
C
D
E
F
G
TEMA: Instrumentação e Redes de Campo.
PALAVRAS CHAVE: Protocolos de Comunicação, Profibus-DP (P-DP), Foundation Fieldbus
(FF), Controle de Processo, Sistema Híbrido, Barramento de Campo.
RESUMO - O trabalho aborda o estudo da
performance dos protocolos de comunicação
digital Profibus-DP (P-DP) e o Foundation
Fieldbus (FF) bastante usados na automação de
processos industriais, passando por algumas
características das redes de comunicação,
utilizados no controle de processos. Vimos que
um sistema de controle pode manipular diversos
protocolos industriais e seus meios físicos,
tornando possível a criação de um controle
híbrido, com os mais diversos tipos de
dispositivos de diferentes fabricantes. O trabalho
mostra ainda, os resultados obtidos na simulação
de um sistema digital de controle, onde foram
conectados gradativamente diversos dispositivos
de campo aos barramentos P-DP e FF, a fim de
avaliar o desempenho destes, quanto ao tempo
de resposta ao sinal de controle.
ABSTRACT - In this work is presented a study
performance of the protocols of digital
communication
Profibus-DP
(P-DP)
and
Foundation Fieldbus (FF), used in industrial
automation
process,
dealing
with
some
characteristics of the communication networks,
used in the control of this process. The controller
can manipulate several industrial protocols and its
hardware it makes possible a hybrid controlled
creation, with several types of devices from
different
manufacturers.
The
work
also
approaches the results obtained by the digital
control system simulation, where several field
devices were connected gradually to the protocols
P-DP and FF slide bars in order to get its
performance regarding to the control signal time.
INTRODUÇÃO
Com o surgimento dos protocolos digitais de
comunicação de campo, impulsionados pela
Trabalho TT - 001
expansão da informática e a necessidade de mais
informações vinda do campo, formaram-se
grupos de pesquisa para desenvolver sistemas
de controle industriais que, associados aos já
existentes (PLC’s), pudessem otimizar o sistema
e o rendimento do controle industrial.
Figura 1 - Evolução das redes de automação.
Existia, porém, uma grande limitação quanto ao
uso dos protocolos digitais, devido ao número
limitado de dispositivos compatíveis com a rede.
A nova fase da automação iniciada com a
introdução dos protocolos abertos de controle
tornou possível ter dispositivos inteligentes de
diversos fabricantes num mesmo segmento.
Protocolo de comunicação é basicamente um
conjunto de regras e convenções que controla o
formato e o significado dos quadros, pacotes ou
mensagens trocadas pelas entidades pares em
um diálogo entre as camadas.
APLICAÇÃO E/OU DESENVOLVIMENTO
Existem no mercado vários tipos de protocolos de
comunicação abertos ou proprietários que são
aplicados ao controle de processos industriais. A
escolha depende da aplicação. Apresentamos
como tema principal do trabalho, os fieldbuses
mais utilizados na indústria: o P-DP e o FF.
PROFIBUS-DP – É um protocolo aberto de
comunicação, padrão mundial. Por ser um
protocolo de transmissão de dados em alta
velocidade, é bastante difundido na indústria para
o gerenciamento de dispositivos de controle de
motores,
servomotores,
atuadores,
E/S’s
discretas remotas e outros elementos finais de
automação.
Características:
 Topologia: barramento – determinístico;
 Transmissão assíncrona, padrão físico
RS-485 (Par trançado) e Fibra ótica;
 Velocidade: 9,6 kBps a 12 Mbps – muito
rápido, transmite 1 kByte de E/S’s < 2 ms;
 Acesso: Híbrido (Token Pass + MestreEscravo);
 Distância: 100 m a 1900 m;
 Dispositivos: 32 por segmento, até 126
(máximo), com 04 repetidores;
 Parametrização e diagnóstico remotos;
 Ampla interoperabilidade.
FOUNDATION FIELDBUS – É uma rede serial
totalmente digital, que possui comunicação
bidirecional determinística e cíclica, do tipo
passagem de bastão (Token Ring). É bastante
difundida na indústria para o controle de variáveis
analógicas do chão-de-fabrica, com tarefas
complexas e extensas de comunicação.
Características:
 Topologia: barramento – determinístico;
 Transmissão
síncrona,
padrão
físico
IEC-61158-2 com código Manchester;
 Velocidade: rede H1: 31,25 kBps;
 Acesso: (Token Pass + Produtor-Consumidor);
 Distância: 1900 m/segmento;
 Dispositivos: 32/segmento, até 126 (máximo),
com 04 repetidores;
 Mestre de tempo para que todos os devices
tenham o mesmo relógio;
 Parametrização e diagnóstico remotos;
 Ampla interoperabilidade.
Trabalho TT - 001
O protocolo P-DP suporta a aplicação de
mono-mestres e multi-mestres, ou ambos. Este
recurso possibilita uma alta flexibilidade durante a
configuração do sistema
As simulações foram desenvolvidas num sistema
hibrido – Host, configurado com os dois
protocolos, com características diferentes como:
meio físico, velocidade de transmissão, etc.
O comissionamento dos dispositivos de campo foi
feito gradativamente seguindo as recomendações
normativas para cada protocolo. No caso das
bombas com inversores de freqüência, foi preciso
recalcular o tempo de resposta da malha para
atender as recomendações de cada rede, pois
estas funcionam com velocidades diferentes.
Figura 2 – Comissionamento dos dispositivos.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Para os testes efetuados no barramento P-DP,
houve a necessidade de alterações das
propriedades como as configurações da porta de
entrada no Host, endereço do cartão e velocidade
do barramento.
Foram conectados gradativamente ao barramento
os dispositivos de campo. Notou-se que a taxa de
transmissão de dados do segmento não pode ser
maior que a taxa do dispositivo mais lento (menor
taxa de transferência), pois isso poderia gerar alta
taxa de erros de transmissão. Foi notória a
degradação da velocidade do sistema, a cada
adição de um dispositivo ao barramento.
Concluído a etapa de inclusão dos dispositivos,
observamos o espectro de onda no barramento
P-DP, conforme mostra a Figura 3. Note que a
freqüência no barramento é de 250 kHz. O
espectro apresenta um grande ∆V em torno de
7,327 V, característica do meio físico RS-485, o
que
melhora
a
imunidade
a
ruídos,
proporcionando alcance a longas distâncias.
No protocolo FF não se pode endereçar os
dispositivos.
Esta
função
é
executada
automaticamente pelo Host (característica do
barramento), que com isso pode gerenciar
completamente o segmento.
CONSIDERAÇÕES GERAIS
Com o intuito de observar outras formas de
degradação da rede, realizamos os testes:
Figura 3 - Forma de onda no barramento P-DP.
De forma análoga a rede P-DP, configuramos a
rede FF de acordo com as recomendações
exigidas pela norma IEC-61158-2.
Iniciamos a rede com 10 (dez) dispositivos, com
um tempo de varredura em torno de 150 ms. De
acordo com a adição de mais dispositivos ao
barramento, foi observada a degradação da rede,
neste instante aumentamos o ciclo de varredura
para 270 ms, a fim de melhorar o tempo de
resposta ao sinal de controle.
Um dispositivo instalado em um segmento não
tem capacidade de formar uma malha de controle
com outro instalado em outro segmento, mesmo
que seja no mesmo cartão. Num projeto real, isso
requer uma atenção maior, visto que pode haver
situações onde o elemento final de controle, pode
estar muito afastado fisicamente do transmissor
que o controla.
Após a conectorização dos dispositivos no
barramento, identificamos a forma do espectro de
onda da rede FF, conforme mostra as Figura 4.
Note que a freqüência da velocidade do
barramento FF-H1 é de 31.31 kHz e um ∆V de
0,712 V, que representa uma variação muito
inferior ao do P-DP.
Figura 4 - Forma de onda no barramento FF.
Trabalho TT - 001
 Eliminação dos terminadores de impedância
do barramento;
 Acréscimo mais que o recomendado de nós
no barramento;
 Aumento considerável de Spurs;
 Rompimentos de cabos, e/ou instrumentos.
Devido a limitações físicas, não foi possível
aumentar o comprimento do segmento, acima do
recomendado pela norma.
CONCLUSÃO
Através das simulações feitas nos barramentos
P-DP e FF, observamos a degradação da
velocidade do sistema e a atenuação da corrente
drenada, devido à inclusão dos dispositivos (nós)
de campo no barramento. Daí, a recomendação
normativa de não adicionarmos mais de 32 nós
por segmento. Foi observado também o aumento
de ruído no barramento, quando foram retirados
os terminadores de impedância.
Baseado nos resultados obtidos, concluiu-se que
se faz necessário atender as recomendações
(normas) de cada protocolo, como: o número de
dispositivos (nós) por segmento, o comprimento
do barramento, evitar o uso de spurs, a
configuração do tempo de varredura, a
velocidade de transmissão do barramento, entre
outros.
O estudo mostrou uma série de vantagens
adquiridas com o uso das redes indústrias. A
economia em longo prazo vai desde o projeto de
instalação, até a manutenção do sistema, além
da redução de cabos e acessórios como: calhas,
conexões, documentação, etc.
Como nos protocolos digitais os instrumentos
comunicam-se entre si, as características como
exatidão, eficiência, tempo de funcionamento sem
recalibração são bem melhores. Certamente irá
trazer resultados mais confiáveis à planta,
facilitando o serviço da manutenção, que pode
trabalhar de uma maneira mais preditiva que
corretiva, usando a capacidade de auto
diagnóstico.
Este último representa a maior vantagem do uso
dos sistemas digitais. Analisando deste ponto,
podem-se obter economias de grande escala
quando se pode evitar a parada não programada
de um forno, por exemplo, que ocorreria devido a
uma falha na válvula controladora de dosagem de
material, ou ainda, em uma situação, em que uma
válvula de Emergency Shutdown Device (ESD)
não funcionou na hora que deveria operar, por
estar travada, ocasionando uma situação de
emergência na planta. Todavia, para a ferramenta
“gerenciamento de ativos” trazerem bons
resultados, precisa de um gestor com autonomia
e poder para tomar decisões de impacto como a
substituição de um determinado equipamento da
planta, sem que este esteja completamente
defeituoso.
REFERÊNCIAS
[1] FUNDAÇÃO PROFIBUS: site internacional da
Profibus. Disponível em: <http://www.profibus.org.
com>. Acesso em: 01/07/2008.
[2] FOUNDATION FIELDBUS: site internacional
do Organização Fieldbus. The web´s leading
resource for information about fieldbus technology
and
products.
Disponível
em:
<http://www.fieldbus.org>.
Acesso
em:
08/07/2008.
[3] FOUNDATION Fieldbus: Technical Overview –
– Freedom to Choose. Power to Integrate. FD043 Rev. 3.0 – Copyright 1996. Austin, Texas.
Revisão: 1998, 2003. 37 p.
[4] INTECH, Revista. Publicação nº 49 sobre
FDT/DTM. Março, 2003, 6 p.
[5] MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas
Industrial, vol. 6, ed. LTC, 2001, ISBN:
8521612869, 753 p.
[6] MITCHEL, Ronald W. PROFIBUS – Guia de
bolso – USA – 2003, ISBN 1-55617-862-X, ISA –
The Instrumentation, Systems and Automation
Society. 191 p.
[7] PEREIRA, Augusto. “A conversa” no
barramento Foundation Fieldbus – Engº de
Automação – Gerente de Negócios Plantweb –
Trabalho TT - 001
Emerson Process
Management – Revista
Controle e Instrumentação – Março,2003, 3 p.
[8] APOSTILA Protocolos Digitais, CICOP 4,
Profº. MSc. Lauro Domingues Neto, UFBA, 2008.
[9] SIEMENS: site internacional da SIEMENS,
Siemens Automation and Drives. Disponível em:
<http://www.ad.siemens.de/meta/index.76.htm>.
Acesso em: 01/07/2008.
[10] RELCON Inc.: Empresa especializada em
instalação elétrica de redes
e sistemas de
alimentação para o Foudation Fieldbus.
Disponível
em:
<http://
www.relcominc.com/fieldbus/index.htm>. Acesso
em: 22/06/2008.
[11]
BERGE,
Jonas
-Fieldbusesfor
ProcessControl:
Engineering,
Operation,
andMaintenance. ISA.
[12] RELCOM Inc.: Fieldbus Wiring Design and
Installation Guide –Yew Street–Forest Grove, OR
97116 – USA, 2001. 40 p.
[13] RODRIGUES, Leonardo Horta; FRANCO,
Lúcia Regina H. M. Publicação sobre a
Adaptação de uma planta industrial tradicional
para a tecnologia Fieldbus. Departamento de
Eletrônica (DON) – Instituto de Engenharia
Elétrica. Itajubá, MG, 2000. 8 p.
[14]
UNIVERSIDADE
FEDERAL
DE
ITAJUBÀ/MG.
Apresenta
trabalhos
sobre
Protocolos de Comunicação e Redes Fieldbus.
Disponível em: <http://www.efei.br/cursos.html>.
Acesso em: 15/07/2008.
[15] UNIVERSIDADE FEDERAL DE MINAS
GERAIS – Departamento de Engenharia
Eletrônica. Artigo sobre Foundation Fieldbus,
autor: FILHO, Constantino Seixas. Dez – 2000,
30p.
[16] VERHAPPEN, Ian; PEREIRA, Augusto. Guia
de Bolso - Foundation Fieldbus, Brasil 2002 ISA – The Instrumentation, Systems and
Automation Society, 137 p.