Treinamento em Redes de Automação Petrobras Parte 2

Treinamento em Redes de Automação Petrobras Parte 2

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IEC 65C/178/CDU – IEC 61158-3 – Data Link Layer – DLL Service Part 3 IEC 65C/179/CDU – IEC 61158-4 – Data Link Layer – DLL Protocol Part 4 A Norma ANSI/ISA-S50.02-1992, aprovada em 17 de Maio de 1994 - “Fieldbus

Standard for Use in Industrial Control Systems Part 2: Physical Layer Specification and Service Definition” trata do meio físico para a realização das interligações os principais ítens são: transmissão de dados somente digital self-clocking

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Redes de Automação – Treinamento Petrobras comunicação bi-direcional código Manchester modulação de voltagem (acoplamento paralelo) velocidades de transmissão de 31,25 kb/s, 100 Mb/s barramento sem energia, não intrinsecamente seguro barramento com energia, não intrinsecamente seguro barramento sem energia, intrinsecamente seguro barramento com energia, intrinsecamente seguro

Regras

Na velocidade de 31,25 kb/s a norma determina, dentre outras, as seguintes regras: 1. um instrumento FIELDBUS deve ser capaz de se comunicar entre os seguintes números de equipamentos: • entre 2 e 32 instrumentos numa ligação sem segurança intríseca e alimentação separada da fiação de comunicação; • entre 2 a 6 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação com segurança intrínseca; • entre 1 e 12 instrumentos alimentados pela mesma fiação de comunicação numa ligação sem segurança intrínseca.

Obs.: Esta regra não impede a ligação de mais instrumentos do que o especificado, estes números foram alcançados levando-se em consideração o consumo de 9 mA +/- 1 mA, com tensão de alimentação de 24 VDC e barreiras de segurança intrínseca com 1 a 21 VDC de saída e 80 mA máximos de corrente para os instrumentos localizados na área perigosa. 2. um barramento carregado com o número máximo de instrumentos na velocidade de 31,25 kb/s não deve ter entre a soma dos trechos do trunk e de todos os spurs um comprimento maior que 1.900 m (ver Figura );

Obs.: esta regra não impede o uso de comprimentos maiores desde que sejam respeitadas as características elétricas dos equipamentos.

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DISTANCE CAN BE INCREASED WITH REPEARTERS MAXIMUM = 4

REP1REP2 REP3 REP4
1.900 M1.900 M 1.900 M 1.900 M 1.900M

Terminator

Signal Isolation Circuit

Fieldbus Power Supply

Terminator

+Control or

Monitoring Device

Terminator

Field Devices

BUSFieldbus Segment 1900M Max.

Line Drawing Representation of Simple Fieldbus Segment

Comprimento máximo de um segmento FIELDBUS

3. número máximo de repetidores para a regeneração da forma de onda entre dois instrumentos não pode exceder a 4 (quatro) ( ver Figura ); 4. um sistema FIELDBUS deve ser capaz de continuar operando enquanto um instrumento está sendo conectado ou desconectado; 5. as falhas de qualquer elemento de comunicação ou derivação (com exceção de curtocircuito ou baixa impedância) não deverá prejudicar a comunicação por mais de 1 ms; 6. deve ser respeitada a polaridade em sistemas que utilizem pares trançados, seus condutores devem ser identificados e esta polarização deve ser mantida em todos os pontos de conexão; 7. para sistemas com meio físico redundante: • cada canal deve atender as regras de configuração de redes;

• não deve existir um segmento não redundante entre dois segmentosredundantes;

• os repetidores também deverão ser redundantes;

• os números dos canais deverão ser mantidos no FIELDBUS, isto é, os canais do

FIELDBUS devem ter os mesmos números dos canais físicos. 8. “shield” dos cabos não deverão ser utilizados como condutores de energia.

Distribuição de energia

A alimentação de equipamentos FIELDBUS pode ser feita opcionalmente através dos mesmos condutores de comunicação ou separadamente; um instrumento com alimentação separada pode ser conectado a um outro instrumento com alimentação e comunicação no mesmo par de fios. Na seqüência algumas especificações elétricas para sistemas FIELDBUS :

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• Um equipamento pode opcionalmente receber energia por condutores de sinal ou por condutores separados;

• Um equipamento pode ser certificado como intrinsecamente seguro recebendo energia tanto pelos condutores de sinal quanto por condutores separados;

• Um equipamento energizado separadamente pode ser conectado a um equipamento energizado pelo mesmo condutor de sinal.

Características dos equipamentos energizados em rede Limites para 31,25 Kbit/s

Voltagem de operação 9,0 a 32,0 V DC Máxima voltagem 35 V

Máxima taxa de mudança de corrente de repouso (não transmitindo); este requisito não é aplicado nos primeiros 10 ms após a conexão do equipamento em uma rede em operação ou nos primeiros 10 ms após a energinzação da rede.

1,0 mA/ms

Máxima corrente; este requisito é ajustado durante o intervalo de 100 µs até 10 ms após a conexão do equipamento a uma rede em operação ou 100 µs até 10 ms após a energização da rede.

Corrente de repouso mais 10 mA

Requisitos para a alimentação de redes Limites para 31,25 Kbit/s

Voltagem de saída, não intrinsecamente seguro ≤ 32 V DC Voltagem de saída, intrinsecamente seguro (I.S.) depende da faixa da barreira

Impedância de saída não intrinsecamente segura, medida dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr ≥ 3 KΩ

Impedância de saída, intrinsicamente segura, medida dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr

≥ 400 KΩ (A alimentação intrinsecamente segura inclui uma barreira intrinsecamente segura).

Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s será capaz de operar dentro de um intervalo de voltagem de 9 V à 32 V DC entre os dois condutores incluindo o ripple. O equipamento poderá ser submetido a máxima voltagem de 35 V DC sem causar danos.

NOTA: Para sistemas intrinsecamente seguros a voltagem de operação pode ser limitada pelos requisitos de certificação. Neste caso a fonte de energia estará localizada na área segura e sua voltagem de saída será atenuada por uma barreira de segurança ou um componente equivalente.

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Um equipamento FIELDBUS que inclui o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s obedecerá os requisitos da norma ISA-S50.02 quando energizada por uma fonte com as seguintes especificações:

A tensão de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente seguras será no máximo de 32 V DC incluindo o ripple; A impedância de saída da fonte de alimentação para redes não intrinsecamente seguras será ≥ 3 KΩ dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à 39 KHz). Este requisito não é aplicado dentro dos 10 ms da conexão nem na remoção de um equipamento do campo;

• A impedância de saída de uma fonte de alimentação intrinsecamente segura será ≥ 400 KΩ dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz à 39 KHz);

Os requisitos de isolação do circuito de sinal e do circuito de distribuição de energia em relação ao terra e entre ambos devem estar de acordo com a IEC 61158-2 (1993).

Barramento de comunicação energizado

Isolação elétrica

Todos os equipamentos FIELDBUS que usam fios condutores, seja na energização separada ou na energização através dos condutores de sinal de comunicação, deverão fornecer isolação para baixas frequências entre o terra, o cabo do barramento e o equipamento. Isto deve ser feito pela isolação de todo o equipamento do terra ou pelo uso de um transformador, opto-acoplador, ou qualquer outro componente isolador entre o “trunk” e o equipamento.

Uma fonte de alimentação combinada com um elemento de comunicação não necessitará de isolação elétrica.

Para cabos blindados, a impedância de isolação medida entre a blindagem do cabo FIELDBUS e o terra do equipamento FIELDBUS deverá ser maior que 250 K em todas as frequências abaixo de 63 Hz.

Power to BUS

TSingle Twisted Pair (Terminator)

Field Devices and Control Devices

Simple Fieldbus Topology Representation

T (Terminator)

Multi-conductor Cable (Only one pair required)

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A máxima capacitância não balanceada para o terra de ambos terminais de entrada de um equipamento não deverá exceder 250 pF.

Especificação do meio condutor Conectores para os cabos, se utilizados, poderão ser do tipo engate rápido ou conectores tradicionais. Terminações no campo, nao devem ser feitas diretamente nos terminais dos instrumentos e sim através de conectores em caixas de terminação.

Cabos De acordo com os requisitos da norma ISA-S50.02, o cabo utilizado para ligar equipamentos FIELDBUS com o modo de voltagem de 31,25 Kbit/s pode ser um simples par de fios trançados com a sua blindagem atendendo os seguintes requisitos mínimos (a 25 ºC):

• Z0 em fr (31,25 KHz) = 100 Ω ± 20%;

• Atenuação máxima em 1,25 fr (39 KHz) = 3.0 dB/Km; • Máxima capacitância não balanceada da blindagem = 2 nF/Km;

• Resistência DC máxima (por condutor) = 2 Ω/Km;

• Atraso máximo de propagação entre 0,25 fr e 1,25 fr = 1.7 µs/Km; • Área seccional do condutor (bitola) = nominal 0,8 mm2 (#18 AWG);

• Cobertura mínima da blindagem deverá ser maior ou igual a 90%.

Para novas instalações devemos especificar cabos de par trançado com blindagem do tipo A, outros cabos podem ser usados mas respeitando as limitações da tabela abaixo como por exemplo os cabos múltiplos com pares trançados com uma blindagem geral (denominado cabo tipo B).

O tipo de cabo de menos indicação é o cabo de par trançado simples ou multiplo sem qualquer blindagem (denominado cabo tipo C).

O tipo de cabo de menor indicação é o cabo de múltiplos condutores sem pares trançados (denominado cabo tipo D) e blindagem geral. A seguir a tabela de especificações dos tipos de cabos (a 25 ºC):

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Parâmetros Condições Tipo “A” Tipo “B” Tipo “C” Tipo “D”

Impedância característica, Z0, Ω fr (31,25 KHz) 100 ± 20 100 ± 30 ** **

Resistência DC máxima, Ω/km por condutor 2 56 132 20

Atenuação máxima, dB/km 1,25 fr (39 kHz)

3.0 5.0 8.0 8.0

Área seccional nominal do condutor (bitola), mm2

Capacitância máx. não balanceada, pF 1 metro de comprimento 2 2 ** **

** não especificado

Observações:

Outros tipos de cabo que atendam ou suplantem as especificações podem ser utilizados. Cabos com especificações melhoradas podem habilitar barramentos com comprimentos maiores e/ou com imunidade superior à interferência. Reciprocamente, cabos com especificações inferiores podem provocar limitações de comprimento para ambos, barramentos (trunk) e derivações (spurs) mais nao sao aceitos cabos que não atendam a conformidade com os requisitos RFI/EMI.

Para aplicações de segurança intrínseca, a razão indutância/resistência (L/R) deve ser menor que o limite especificado pela agência regulamentadora local.

Trunk Junction box

Spurs

Cable Length = Trunk Lenght + All Spur Lengths Maximum Length = 1900 metres with “Type A”Cable

FOUNDATION TECHNOLOGY 31.25 kbit/s FIELDBUS WIRING

Cabos utilizados no FIELDBUS

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Cabo tipo Distância (m) A 1900 B 1200 C 400

D 200 Comprimentos típicos de barramento e derivações

Acopladores

O acoplador pode prover um ou muitos pontos de conexão para o barramento.

Pode ser integrado ao equipamento FIELDBUS caso não haja nenhuma derivação. Caso contrário, deverá ter pelo menos 3 pontos de acesso um para o spur e um para cada lado do trunk.

Um acoplador passivo deve conter qualquer um ou todos os elementos opcionais descritos abaixo: • Um transformador para fornecer isolação galvânica e um transformador de impedância entre trunk e spur; • Conectores, para fornecer conexões fáceis de spur e/ou trunk;

• Resistores de proteção como visto na figura abaixo, para proteger o barramento do tráfego entre outras estações dos efeitos de um spur em curto-circuito num trunk desenergizado, não intrinsecamente seguro.

Acopladores ativos, que requerem alimentações externas, podem conter componentes para amplificação do sinal e retransmissão.

Através das ligações internas dos acopladores pode-se construir várias topologias.

Ligações internas de uma caixa de campo BUS TERMINATOR

Inside Junction BoxMAIN TRUCK CABLE

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Splices

Um splice é qualquer parte da rede na qual as características de impedância do cabo da rede não são preservadas. Isto é possivelmente oportuno para operação dos condutores de cabos, remoção da blindagem do cabo, troca do diâmetro do fio ou seu tipo, conexão à spurs, conexão em terminais nus, etc. Uma definição prática para splice é, portanto, qualquer parte da rede que não tem um comprimento contínuo de um meio condutor especificado.

Para redes que têm um comprimento total de cabos (trunk e spurs) maior que 400 m, a soma de todos os comprimentos de todos os splices não deve exceder 2,0 % do comprimento do cabo. Para comprimento de cabos de 400 m ou menos, a soma dos comprimentos de todos splices não deve exceder 8 m. O motivo para esta especificação é preservar a qualidade de transmissão requerendo que a rede seja construída quase totalmente com o meio condutor especificado.A continuidade de todos os condutores do cabo deve ser mantida em um splice.

Terminadores

Um terminador deve estar em ambas pontas do cabo de trunk, conectado de um condutor de sinal para o outro. Nenhuma conexão deve ser feita entre o terminador e a blindagem do cabo.

Pode-se ter o terminador implementado internamente à uma caixa de campo (Junction Box).

Terminador interno à uma caixa de campo

O valor da impedância do terminador deve ser 100 Ω ± 20% dentro da faixa de frequência 0,25 fr à 1,25 fr (7,8 KHz a 39 KHz). Este valor é aproximadamente o valor médio da impedância característica do cabo nas frequências de trabalho e é escolhido para minimizar as reflexões na linha de transmissão.

Inside Junction Box

Fieldbus Terminator

To Control Building

(Single or Multi-Pair)

Twisted Pair (Shielded)

Field Wiring and Field Devices

Shields not shown

Terminal Block in Field Mounted Junction Box

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O vazamento de corrente direta pelo terminador não deve exceder 100 µA. O terminador deve ser não polarizado.

Todos os terminadores usados em aplicações intrinsecamente seguras devem atender as necessidades de isolação e distanciamento (necessárias para a aprovação I.S.).

É aceito para as funções de fonte de alimentação, barreiras de segurança e terminadores a combinação de várias maneiras (desde que a impedância equivalente atenda os requisitos da norma ISA-S50.02).

Esquema da linha de transmissão balanceada

Regras de Blindagem

Para atender os requisitos de imunidade a ruídos é necessário assegurar a continuidade da blindagem através do cabeamento, conectores e acopladores, atendendo as seguintes regras:

A cobertura da blindagem do cabo deverá ser maior do que 90% do comprimento total do cabo;

A blindagem deverá cobrir completamente os circuitos elétricos através também dos conectores, acopladores e splices. Nota: O não atendimento das regras de blindagem pode degradar a imunidade a ruído.

Regras de Aterramento

O aterramento para um sistema FOUNDATION FIELDBUS deve estar permanentemente conectado à terra através de uma impedância suficientemente baixa e com capacidade suficiente de condução de corrente para prevenir picos de voltagem, os quais poderão resultar em perigo aos equipamentos conectados ou pessoas, a linha comum (zero volts) pode ser conectada à terra onde eles são galvanicamente isolados do barramento FIELDBUS.

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