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Universidade de Brasília – UnB Instituto de Ciências Exatas – IE

Departamento de Ciências da Computação – CIC Transmissão de Dados

Redes Industriais – FIELDBUS

Professor Jacir Luiz Bordim

Jones Yudi Mori Alves da Silva – 01/78209

Marcelo Messias F. Cruz – 02/ Rodrigo de Menezes Rosado – 01/93500

Brasília, 01 de Março de 2006.

Os Sistemas de Integração da Manufatura, já são uma realidade nas indústrias modernas. A interligação de forma rápida, confiável e robusta é imprescindível para muitos processos de altos níveis de criticidade. O padrão Fieldbus foi criado com o intuito de definir especificações e nomas diversas de forma a unificar os diversos padrões proprietários, facilitando, dessa maneira, a busca das melhores soluções de conexões de chão-de-fábrica.

A monografia a seguir tem por finalidade fornecer informações básicas sobre a tecnologia de redes FIELDBUS, bem como uma abordagem introdutória às Redes Industriais. Por ser um assunto novo e vasto não se pretende esgotar o tema, mas dar uma ampla visão sobre este assunto e a importância de sua utilização nas indústrias modernas.

1. INTRODUÇÃO AS REDES INDUSTRIAIS

2. HISTÓRICO DO FIELDBUS

3. FIELDBUS

4. CONCLUSÃO 5. REFERÊNCIAS

1 - INTRODUÇÃO ÀS REDES INDUSTRIAIS

Informação atualmente é a palavra-chave em muitas empresas mundo afora. Não só as que trabalham diretamente com Informática, mas também as do ramo industrial estão sendo afetadas pelos avanços nas tecnologias de transmissão de dados. A integração entre os diversos níveis de equipamentos e sistemas de controle tem se tornado essencial para alcançar-se o aumento de eficiência, flexibilidade e confiabilidade dos sistemas produtivos.

Tal como nos outros mercados de comunicação de dados (Telefonia, Rádios, Emissoras de

Televisão, Internet, etc), os sistemas de transmissão de dados nas indústrias começaram de forma bastante simples, utilizando conexões do tipo serial RS-232 e RS-485. Porém, com o passar do tempo, as indústrias foram desenvolvendo sistemas mais complexos, com tecnologias próprias, protocolos, softwares e hardwares apropriados para suas necessidades. [7] [9]

Redes industriais são essencialmente sistemas distribuídos, ou seja, diversos elementos trabalham de forma simultânea a fim de supervisionar e controlar um determinado processo. Tais elementos (sensores, atuadores, CLP's, CNC's, PC's, etc), necessitam estar interligados e trocando informações de forma rápida e precisa. Um ambiente industrial é, geralmente, hostil, de maneira que os dispositivos e equipamentos pertencentes a uma rede industrial devem ser confiáveis, rápidos e robustos. [10]

Para implementar-se um sistema de controle distribuído, baseado em redes, há a necessidade de estudos detalhados acerca do processo a ser controlado, buscando-se o sistema que melhor se adeque às necessidades do usuário. [12]

Os fabricantes de sistemas de integração industrial tendem a lançar produtos compatíveis com sua arquitetura própria, o que leva a graves problemas de compatibilidade entre as diversas redes e sub-redes presentes no sistemas, em diversos níveis, equipamentos, dispositivos, hardware e software (Figura 1.1). [1] [4]

Essa é a vantagem das arquiteturas de sistemas abertos, que tendem a seguir padrões, de maneira que o usuário pode encontrar diversas soluções diferentes para o mesmo problema.

Figura 1.1 – Diversidade de tecnologias utilizadas para integração industrial.

As redes industriais são padronizadas em 3 níveis hierárquicos responsáveis pela interconexão de diferentes tipos de equipamentos (Figura 1.2). [7]

O nível mais alto é geralmente o que interliga os equipamentos responsáveis pelo planejamento da produção, scheduling, controles de estoque, estatísticas de qualidade, previsões de vendas, etc. Geralmente é implementado utilizando-se softwares gerenciais, tais como sistemas SAP, Arena, etc. O protocolo TCP/IP, com padrão ethernet é o mais utilizado nesse nível. [2]

No nível intermediário, onde temos os CLP's e CNC's, principalmente, trafegam informações de controle a nível de máquinas, ou seja, informações a respeito do status de equipamentos tais como robôs, máquinas-ferramentas, transportadores, etc. [7] [10]

O terceiro nível, mais baixo, é o que se refere à parte física da rede, onde localizam-se os sensores, atuadores, contatores, etc. [7]

Figura 1.2 – Níveis de redes industriais. Figura 1.3 – Tipos de equipamento em cada nível de uma Rede Industrial.

A classificação das redes industriais é baseada nos três níveis, mas não é exclusiva para cada um. O tipo de equipamento conectado por cada tipo de rede industrial é mostrado na Figura 1.3, cuja divisão é mostrada a seguir:

• rede sensorbus - dados no formato de bits

A rede sensorbus conecta equipamentos simples e pequenos diretamente à rede. Os equipamentos deste tipo de rede necessitam de comunicação rápida em níveis discretos e são tipicamente sensores e atuadores de baixo custo. Estas redes não almejam cobrir grandes distâncias, sendo sua principal preocupação manter os custos de conexão tão baixos quanto for possível. Exemplos típicos de rede sensorbus incluem Seriplex, ASI e INTERBUS Loop. [7] [9] [10]

• rede devicebus - dados no formato de bytes

A rede devicebus preenche o espaço entre redes sensorbus e fieldbus e pode cobrir distâncias de até 500 m. Os equipamentos conectados a esta rede terão mais pontos discretos, alguns dados analógicos ou uma mistura de ambos. Além disso, algumas destas redes permitem a transferência de blocos em uma menor prioridade comparado 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 DP, LONWorks e INTERBUS-S. [7] [9] [10]

• rede fieldbus - dados no formato de pacotes de mensagens

A rede fieldbus interliga os equipamentos de I/O mais inteligentes e pode cobrir distâncias maiores. Os equipamentos acoplados à rede possuem inteligência para desempenhar funções específicas de controle tais como loops PID, controle de fluxo de informações e processos. Os tempos de transferência podem ser longos mas a rede deve ser capaz de comunicar-se por vários tipos de dados (discreto, analógico, parâmetros, programas e informações do usuário). Exemplo de redes fieldbus incluem IEC/ISA SP50, Fieldbus Foundation, Profibus PA e HART. [7] [9] [10]

2 - HISTÓRICO DO FIELDBUS:

Na década de 40, os processos de instrumentação utilizavam sinais de pressão da ordem de 3 a 15 psi para o monitoramento de dispositivos de controle. Já na década de 60, foi introduzida a utilização de um padrão com sinal de 4 a 20 mA para instrumentação. Apesar desse padrão, muitos níveis de sinais, que não atendiam a especificação, foram utilizados para representar a saída de diversos dispositivos. A transição dos sinais pneumáticos para elétricos trouxe muitas vantagens aos sistemas industriais, tais como: redução de ruído, maior facilidade de implantação e manutenção, aumento da confiabilidade, etc.

O desenvolvimento de processadores digitais na década de 70 deu início ao uso de computadores para monitorar e controlar uma série de instrumentos a partir de um ponto central. A natureza específica das tarefas a serem controladas já apontava para a necessidade de que os instrumentos e os métodos de controle seguissem uma padronização.

Na década de 80 os sensores inteligentes começaram a ser desenvolvidos e utilizados em sistemas microcontrolados, que aliavam confiabilidade e rapidez, ao baixo custo.

Esta tendência gerou um movimento nos fóruns internacionais, ISA, (Instrument Society of

America), IEC (International Electrotechnical Commission), Profibus (German national standard) e FIP (French national standard), para formar 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. Devido a diversidade de produtos e métodos de implementação, o processo de padronização se tornou lento, não permitindo uma solução direta e simples para ser padronizada. Em 1992, dois grandes grupos lideravam o mercado para soluções de interligação de instrumentos de campo:

• ISP (Interoperable Systems Project); • WorldFIP (Factory Instrumentation Protocol);

Ambas possuíam diferentes visões de implementação das redes fieldbus, mas garantiam que iriam alterar seus produtos assim que a norma SP50 estivesse formalizada

Em setembro de 1994, WorldFIP e ISP, juntaram-se criando a Fieldbus Foundation (F), com o objetivo de acelerar o processo de normalização das redes fieldbus . [B]

Durante diversos anos companhias ao redor do mundo engajaram-se em testar o padrão

Fieldbus em pequenas plantas em funcionamento. O objetivo desta companhias era testar a aplicabilidade do Fieldbus em suas plantas. Esta foi a melhor maneira de visualizar a escala de aplicação do Fieldbus .

A busca pela padronização internacional das redes Fieldbus originou uma guerra mundial para a busca de um padrão. Como tal decisão estava longe de ser alcançada o comitê SP50 decidiu padronizar em apenas 4 níveis a rede Fieldbus.[A]

Atualmente, diversas indústrias já adotam as redes Fieldbus, seja adaptando plantas já existentes, ou mesmo projetando novas plantas inteiramente interligadas segundo os padrões. Muitas pesquisas têm sido feitas no sentido de melhorar ainda mais o padrão, de forma que as discussões estão longe de um fim.

3 - FIELDBUS: 3.1 - Definições

O FIELDBUS é um protocolo desenvolvido para automação de Sistemas de Fabricação, elaborado pela FieldBus Foundation e normalizado pela ISA-The International Society for Measurement and Control. Como pode ser observado da figura anterior, o protocolo Fieldbus visa a interligação de instrumentos e equipamentos, possibilitando o controle e monitoração dos processos. Geralmente é utilizado com os chamados Softwares Supervisórios (SCADA, etc.), que permitem a aquisição e visualização desde dados de sensores até status de equipamentos (Figura 3.1). [1] [6] [1]

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